EP1143585B1 - Überspannungsschutzelement - Google Patents

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EP1143585B1
EP1143585B1 EP01116334A EP01116334A EP1143585B1 EP 1143585 B1 EP1143585 B1 EP 1143585B1 EP 01116334 A EP01116334 A EP 01116334A EP 01116334 A EP01116334 A EP 01116334A EP 1143585 B1 EP1143585 B1 EP 1143585B1
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EP
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electrodes
housing
protection element
pressure
overvoltage protection
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EP01116334A
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English (en)
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EP1143585A3 (de
EP1143585A2 (de
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Gerd Dipl.-Ing. Kracht
Eberhard Dipl-Ing. Lehmann
Klaus Prof. Dr.-Ing. Scheibe
Joachim Dipl.Ing. Schimanski
Martin Dr.-Ing. Wetter
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel
    • H01T4/12—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel hermetically sealed

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection element for the derivation of transients Surge voltages, with two, each having a power connection, in parallel electrodes arranged to each other, an air breakdown spark gap effective between the electrodes and a housing accommodating the electrodes, wherein the housing housing the electrodes is closed and pressure-tight and pressure-resistant is executed and a cylindrical housing shell and two each on one Has provided housing flanges at the end of the housing shell.
  • Such one Surge protection element is e.g. B. known from DE 919 056 C.
  • overvoltage protection element from which the invention is based, one those with an air breakdown spark gap, there are surge protection elements with an air flashover spark gap, so when responding a sliding discharge occurs (cf. DE 27 18 188 A1, DE 29 34 236 A1 and DE 31 01 354 A1).
  • Surge protection elements of the type on which the invention is based that is to say those with an air breakdown spark gap, have overvoltage protection elements with an air flashover spark gap the advantage of a higher surge current carrying capacity, however, the disadvantage of a higher one - and not particularly constant - response voltage.
  • each electrode has a connection leg and one at an acute angle to the connecting leg Spark horn and form the spark sparks of the two - at a distance from each other arranged - electrodes together the air breakdown spark gap. It is between the opposite ends of the connecting leg an ignition aid, which triggers a sliding discharge, is provided for both electrodes. additionally can be seen from DE 44 02 615 A1 that it is advantageous if the spark horns of the electrodes in their adjacent to the connecting legs Areas are provided with a hole.
  • the above-mentioned surge protection element known from DE 44 02 615 A1 is carried out in practical implementation so that on the one hand there is a Has a surge current carrying capacity of 100 kA, on the other hand to extinguish line follow currents is suitable in the range of 100 A.
  • the invention is based on the object of an overvoltage protection element Provide generic type that is simple and inexpensive to build on is easily adaptable to different requirements in its manufacture and is still functional even after multiple responses.
  • the surge protection element according to the invention is now first and foremost characterized in that the housing in an outer pressure cylinder is arranged.
  • the surge protection element according to the invention serves to derive transient overvoltages and to limit surge currents, especially of lightning impulse currents, as well as for the deletion of network follow currents; lightning impulse currents up to 100 kA can be derived and line follow currents from typically 3 to 4 kA, maximum of 25 kA or even 50 kA, can be deleted.
  • the surge protection element according to the invention consists in its essential Construction of two electrodes 3, 4, each having a current connection 1, 2 between the electrodes 3, 4 effective air breakdown spark gap 5 and one the electrodes 3, 4 housing 6.
  • the electrodes 3, 4 are arranged parallel to one another.
  • the Electrodes 3, 4 are arranged side by side; their longitudinal axes therefore fall apart.
  • the electrodes 3, 4 are cylindrical; they have a circular cross section.
  • Electrode sections 3c and 4c the largest diameter. Between the electrode sections 3c and 4c is therefore the smallest distance, so that between the Electrode sections 3c and 4c formed the air breakdown spark gap 5 is.
  • the power connections could both electrodes are on the same side.
  • the power connections 1 and 2 of both electrodes 3 and 4 are located on opposite sides. They run as is easily taken from the figures can be parallel to each other. However, exemplary embodiments are also conceivable, where the power connections of both electrodes are at an acute angle to each other.
  • the interior of the the electrodes 3, 4 receiving housing 6 is lined, the lining preferably consists of POM-Teflon.
  • an overvoltage protection element according to the invention shown in the figures is a particularly advantageous one in that the electrodes 3, 4 receiving housing 6 is closed and pressure-resistant.
  • the housing 3, 4 receiving the electrodes 6 consists of a cylindrical Housing shell 7 and two each at one end of the housing shell 7 provided housing flanges 8, 9.
  • the Printing cylinder 10 has a printing sleeve 11, the printing sleeve 11 on one side with an external thread 12 and on the other side with an inwardly projecting Flange 13 is provided, a union nut 14 is provided and the union nut 14 is screwed onto the pressure sleeve 11.
  • the manufacture of the surge protection element according to the invention that is, the Manufacturing of the individual parts and the assembly of these individual parts is out of the question simple and therefore inexpensive.
  • the individual parts of the housing 6, namely the housing jacket 7 and the Housing flanges 8, 9, and the individual parts of the outer pressure cylinder 10, that is the pressure sleeve 11 and the union nut 14 are rotationally symmetrical Parts that are either readily available or as turned parts modern machine tools can be mass-produced.
  • each housing flange 8, 9 with both Through hole 15, 16, as well as provided with a blind hole 17, 18.
  • the so trained housing flanges 8, 9 thus allow both the passage of Power connections 1, 2, and - on the other side - an end bearing of the electrodes 3, 4, namely in the area of the electrode sections 3e, 4e.
  • an inventive Overvoltage protection element applies that the housing flanges 8, 9 sealing can be clamped against the cylindrical housing shell 7, with Help of the outer pressure cylinder 10, namely in that the union nut 14th is screwed onto the pressure sleeve 11.
  • the housing 6 receiving the electrodes 3, 4 can have air as the extinguishing gas; however, it can also be provided with another known extinguishing gas, for example SF 6 . Otherwise, the extinguishing gas in the electrodes 3, 4 receiving housing 6 are at atmospheric pressure, but is also conceivable, in the embodiment described, in which the electrodes 3, 4 receiving housing 6 is pressure-tight and pressure-resistant that the extinguishing gas is at a pressure deviating from the atmospheric pressure.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement zur Ableitung von transienten Überspannungen, mit zwei jeweils einen Stromanschluß aufweisenden, parallel zueinander angeordneten Elektroden, einer zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und einem die Elektroden aufnehmenden Gehäuse, wobei das die Elektroden aufnehmende Gehäuse geschlossen sowie druckdicht und druckfest ausgeführt ist und einen zylindrischen Gehäusemantel und zwei jeweils an einem Ende des Gehäusemantels vorgesehene Gehäuseflansche aufweist. Ein solches Überspannungsschutzelement ist z. B. aus der DE 919 056 C bekannt.
Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Fernmeldeeinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, also durch Blitzströme, aber auch durch Kurzschlüsse und Schalthandlungen in Energieversorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zugenommen, in dem elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren verwendet werden; vor allem sind seit vielen Jahren zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet.
Neben dem Überspannungsschutzelement, von dem die Erfindung ausgeht, also einem 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 27 18 188 A1, die DE 29 34 236 A1 und die DE 31 01 354 A1).
Überspannungsschutzelemente der Art, von der die Erfindung ausgeht, also solche mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, haben gegenüber Überspannungsschutzelementen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, jedoch den Nachteil einer höheren - und auch nicht sonderlich konstanten - Ansprechspannung.
Es sind nun bereits verschiedene Überspannungsschutzelemente mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke entwickelt worden, die auch in Bezug auf die Ansprechspannung verbessert worden sind (vgl. die DE 41 41 681 A1, die DE 41 41 682 A1, die DE 42 44 051 A1 und die DE 44 02 615 A1).
Das aus der DE 44 02 615 A1 bekannte Überspannungsschutzelement hat bereits in der Praxis erhebliche Bedeutung erlangt, wird nämlich von der Anmelderin hergestellt und unter der Bezeichnung FLASHTRAB FLT vertrieben (vgl. den Katalog '98/99 der Firma Phoenix Contact GmbH & Co., Teilkatalog 7 "TRABTECH Überspannungsschutz" und die dort gegebenen Erläuterungen zur Problematik von Überspannungen, insbesondere auf den Seiten 3 bis 5 sowie den Seiten 12 bis 17). Bei diesem bekannten Überspannungsschutzelement weist jede Elektrode einen Anschlußschenkel und ein unter einem spitzen Winkel zu dem Anschlußschenkel verlaufendes Funkenhorn auf und bilden die Funkenhömer der beiden - mit Abstand zueinander angeordneten - Elektroden zusammen die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke. Dabei ist zwischen den sich gegenüberstehenden Enden der Anschlußschenkel der beiden Elektroden eine - eine Gleitentladung auslösende - Zündhilfe vorgesehen. Zusätzlich kann der DE 44 02 615 A1 entnommen werden, daß es vorteilhaft ist, wenn die Funkenhörner der Elektroden in ihren an die Anschlußschenkel angrenzenden Bereichen mit einer Bohrung versehen sind.
Das zuvor angesprochene, aus der DE 44 02 615 A1 bekannte Überspannungsschutzelement ist in der praktischen Realisierung so ausgeführt, daß es einerseits eine Stoßstromtragfähigkeit von 100 kA hat, andererseits zur Löschung von Netzfolgeströmen bis in den Bereich von 100 A geeignet ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Überspannungsschutzelement der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, das einfach und kostengünstig aufgebaut ist, auf einfache Weise bei seiner Herstellung an unterschiedliche Anforderungen anpaßbar ist und auch nach mehrfachem Ansprechen noch funktionstüchtig ist.
Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse in einem äußeren Druckzylinder angeordnet ist.
Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelemente auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, das in Verbindung mit der Zeichnung nachfolgend erläutert wird. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1
einen Längsschnitt durch ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements,
Fig. 2
das Überspannungsschutzelement nach Fig. 1, nach dem der das eigentliche Gehäuse aufnehmende Druckzylinder geöffnet worden ist, und
Fig. 3
das Überspannungsschutzelement nach den Fig. 1 und 2 bei geöffnetem Gehäuse.
Das erfindungsgemäße, in den Figuren dargestellte Überspannungsschutzelement dient zur Ableitung von transienten Überspannungen und zur Begrenzung von Stoßströmen, insbesondere von Blitzstoßströmen, sowie zur Löschung von Netzfolgeströmen; es können Blitzstoßströme bis zu 100 kA abgeleitet und Netzfolgeströme von typisch 3 bis 4 kA, maximal von 25 kA oder sogar von 50 kA, gelöscht werden.
Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement besteht in seinem wesentlichen Aufbau aus zwei jeweils einen Stromanschluß 1, 2 aufweisende Elektroden 3, 4, einer zwischen den Elektroden 3, 4 wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 5 und einem die Elektroden 3, 4 aufnehmenden Gehäuse 6.
Wie die Figuren zeigen, sind die Elektroden 3, 4 parallel zueinander angeordnet. Die Elektroden 3, 4 sind nebeneinander angeordnet; ihre Längsachsen fallen also auseinander. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 3, 4 zylindrisch ausgeführt; sie weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf.
Wie die Fig. 1 und 3 zeigen, gilt für das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements, daß die Elektroden 3, 4 über ihre Länge unterschiedliche Querschnitte aufweisen; die Elektroden 3, 4 haben also Elektrodenabschnitte 3a, 3b, 3c, 3d und 3e bzw. 4a, 4b, 4c, 4d und 4e. Dabei haben die Elektrodenabschnitte 3c und 4c den größten Durchmesser. Zwischen den Elektrodenabschnitten 3c und 4c besteht somit der geringste Abstand, so daß zwischen den Elektrodenabschnitten 3c und 4c die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 5 ausgebildet ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement könnten die Stromanschlüsse beider Elektroden auf der gleichen Seite liegen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegen jedoch die Stromanschlüsse 1 bzw. 2 beider Elektroden 3 bzw. 4 auf gegenüberliegenden Seiten. Sie verlaufen, wie den Figuren ohne weiteres entnommen werden kann, parallel zueinander. Denkbar sind jedoch auch Ausführungsbeispiele, bei denen die Stromanschlüsse beider Elektroden unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufen.
Für die Funktionstüchtigkeit des erfindungsgemäßen Überpannungsschutzelements ist es von besonderem Vorteil, wenn, was die Figuren nicht zeigen, der Innenraum des die Elektroden 3, 4 aufnehmenden Gehäuses 6 ausgekleidet ist, wobei die Auskleidung vorzugsweise aus POM-Teflon besteht.
Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements ist insoweit ein besonders vorteilhaftes, als das die Elektroden 3, 4 aufnehmende Gehäuse 6 geschlossen und druckfest ausgeführt ist. Im einzelnen besteht das die Elektroden 3, 4 aufnehmende Gehäuse 6 aus einem zylindrischen Gehäusemantel 7 und zwei jeweils an einem Ende des Gehäusemantels 7 vorgesehenen Gehäuseflanschen 8, 9.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist bei dem zuvor geschilderten Aufbau des die Elektroden 3, 4 aufnehmenden Gehäuses 6 die Druckfestigkeit des Gehäuses 6 in Verbindung mit einem äußeren Druckzylinder 10 realisiert. Im einzelnen gilt, daß der Druckzylinder 10 eine Druckhülse 11 aufweist, die Druckhülse 11 auf der einen Seite mit einem Außengewinde 12 und auf der anderen Seite mit einem nach innen ragenden Flansch 13 versehen ist, eine Überwurfmutter 14 vorgesehen ist und die Überwurfmutter 14 auf die Druckhülse 11 aufgeschraubt ist.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements, das heißt die Herstellung der Einzelteile und der Zusammenbau dieser Einzelteile, ist ausgesprochen einfach und damit kostengünstig. Bei den Stromanschlüssen 1, 2, den Elektroden 3, 4, den Einzelteilen des Gehäuses 6, nämlich dem Gehäusemantel 7 und den Gehäuseflanschen 8, 9, sowie den Einzelteilen des äußeren Druckzylinders 10, also der Druckhülse 11 und der Überwurfmutter 14, handelt es sich um rotationssymmetrische Teile, die entweder ohne weiteres zur Verfügung stehen oder als Drehteile auf modernen Werkzeugmaschinen serienmäßig hergestellt werden können.
Wie insbesondere die Fig. 1 zeigt, ist jeder Gehäuseflansch 8, 9 sowohl mit einer Durchgangsbohrung 15, 16, als auch mit einer Sackbohrung 17, 18 versehen. Die so ausgebildeten Gehäuseflansche 8, 9 erlauben also sowohl das Hindurchführen der Stromanschlüsse 1, 2, als auch - auf der jeweils anderen Seite - eine endseitige Lagerung der Elektroden 3, 4, nämlich im Bereich der Elektrodenabschnitte 3e, 4e.
Für das dargestellte, besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelementes gilt, daß die Gehäuseflansche 8, 9 abdichtend gegen den zylindrischen Gehäusemantel 7 verspannt werden können, und zwar mit Hilfe des äußeren Druckzylinders 10, nämlich dadurch, daß die Überwurfmutter 14 auf die Druckhülse 11 aufgeschraubt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement kann das die Elektroden 3, 4 aufnehmende Gehäuse 6 als Löschgas Luft aufweisen; es kann jedoch auch mit einem anderen bekannten Löschgas versehen sein, zum Beispiel mit SF6. Im übrigen kann das Löschgas in dem die Elektroden 3, 4 aufnehmenden Gehäuse 6 unter atmosphärischen Druck stehen, denkbar ist jedoch auch, und zwar bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem das die Elektroden 3, 4 aufnehmende Gehäuse 6 druckdicht und druckfest ausgeführt ist, daß das Löschgas unter einem vom atmosphärischen Druck abweichenden Druck steht.

Claims (6)

  1. Überspannungsschutzelement zur Ableitung von transienten Überspannungen, mit zwei jeweils einen Stromanschluß (1, 2) aufweisenden, parallel zueinander angeordneten Elektroden (3, 4), einer zwischen den Elektroden (3, 4) wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (5) und einem die Elektroden (3, 4) aufnehmenden Gehäuse (6), wobei das die Elektroden (3, 4) aufnehmende Gehäuse (6) geschlossen sowie druckdicht und druckfest ausgeführt ist und einen zylindrischen Gehäusemantel (7) und zwei jeweils an einem Ende des Gehäusemantels (7) vorgesehene Gehäuseflansche (8, 9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) in einem äußeren Druckzylinder (10) angeordnet ist.
  2. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckzylinder (10) eine Druckhülse (11) aufweist, die Druckhülse (11) auf der einen Seite mit einem Außengewinde (12) und auf der anderen Seite mit einem nach innen ragenden Flansch (13) versehen ist, eine Überwurfmutter (14) vorgesehen ist und die Überwurfmutter (14) auf die Druckhülse (11) aufgeschraubt ist.
  3. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Elektroden (3, 4) aufnehmende Gehäuse (6) als Löschgas Luft aufweist.
  4. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Elektroden (3, 4) aufnehmende Gehäuse (6) als Löschgas SF6 aufweist.
  5. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Löschgas unter atmosphärischem Druck steht.
  6. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Löschgas unter einem vom atmosphärischen Druck abweichenden Druck steht.
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