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Die Erfindung geht aus von einer Überspannungsschutzeinrichtung zum Einsatz in der Stromversorgung, mit einem druckdichten, metallischen Gehäuse, mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode, mit einer im Inneren des Gehäuses zwischen beiden Elektroden ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer, mit einer zwischen beiden Elektroden ausgebildeten Durchschlag-Funkenstrecke und mit einer Zündhilfe, wobei beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht und wobei als Zündhilfe ein Zündkreis mit einem innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordneten Zündelement und/oder einer ebenfalls innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordneten Zündelektrode und einem außerhalb des druckdichten Gehäuses angeordneten Spannungsschaltelement vorgesehen ist, und das Spannungsschaltelement mit dem Zündelement und/oder der Zündelektrode über das druckdichte metallische Gehäuse elektrisch in Reihe geschaltet ist.
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Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zugenommen, in dem elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren, verwendet werden; vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet.
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Elektrische Stromkreise arbeiten mit der für sie spezifizierten Spannung, der Nennspannung, normalerweise störungsfrei. Das gilt dann nicht, wenn Überspannungen auftreten. Als Überspannungen gelten alle Spannungen, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch die transienten Überspannungen, die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektrische oder elektronische Stromkreise, insbesondere elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen transiente Überspannungen zu schützen, sind Überspannungsschutzeinrichtungen entwickelt worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt.
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Wesentlicher Bestandteil von Überspannungsschutzeinrichtung der hier in Rede stehenden Art ist mindestens eine Funkenstrecke, die bei einer bestimmten Überspannung, der Ansprechspannung, anspricht und damit verhindert, daß in dem durch eine Überspannungsschutzeinrichtung geschützten Stromkreis Überspannungen auftreten, die größer als die Ansprechspannung der Funkenstrecke sind.
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Eingangs ist ausgeführt worden, daß die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung zwei Elektroden und eine zwischen den beiden Elektroden ausgebildete Durchschlag-Funkenstrecke aufweist. Bei einer Durchschlag-Funkenstrecke kann es sich sowohl um eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke als auch um eine solche Durchschlag-Funkenstrecke handeln, bei der nicht Luft, sondern ein anderes Gas zwischen den Elektroden vorhanden ist. Neben Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Durchschlag-Funkenstrecke gibt es Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Überschlag-Funkenstrecke, bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt.
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Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Durchschlag-Funkenstrecke haben gegenüber Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, jedoch den Nachteil einer höheren – und auch nicht sonderlich konstanten – Ansprechspannung. Deshalb sind bereits verschiedene Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Durchschlag-Funkenstrecke vorgeschlagen worden, die in bezug auf die Ansprechspannung verbessert worden sind. Dabei sind im Bereich der Elektroden bzw. der zwischen den Elektroden wirksamen Durchschlag-Funkenstrecke in verschiedener Weise Zündhilfen realisiert worden, z. B. dergestalt, daß zwischen den Elektroden mindestens eine eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe vorgesehen worden ist, die zumindest teilweise in die Durchschlag-Funkenstrecke hineinragt, stegartig ausgeführt ist und aus Kunststoff besteht (vgl.
DE 41 41 681 A1 oder
DE 44 02 615 A1 ).
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Die bei den bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen vorgesehenen, zuvor angesprochenen Zündhilfen können gleichsam als "passive Zündhilfen" bezeichnet werden, "passive Zündhilfen" deshalb, weil sie nicht selbst "aktiv" ansprechen, sondern nur durch eine Überspannung ansprechen, die an den Hauptelektroden auftritt.
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Aus der
DE 198 03 636 A1 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung mit zwei Elektroden, mit einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen Durchschlag-Funkenstrecke und einer Zündhilfe bekannt. Bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung ist die Zündhilfe, als "aktive Zündhilfe" ausgebildet, nämlich dadurch, daß neben den beiden Elektroden – dort als Hauptelektroden bezeichnet – noch mindestens eine Zündelektrode vorgesehen sind. Diese Zündelektrode bildet zusammen mit einer Hauptelektrode oder einer zweiten Zündelektrode eine zweite, als Zündfunkenstrecke dienende Durchschlag-Funkenstrecke. Bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung gehört zu der Zündhilfe außer der Zündfunkenstrecke noch ein Zündkreis mit einem Zündschaltelement. Bei Anliegen einer Überspannung an der Überspannungsschutzeinrichtung sorgt der Zündkreis mit dem Zündschaltelement für ein Ansprechen der Zündfunkenstrecke. Die Zündelektrode oder die beiden Zündelektroden sind in bezug auf die beiden Hauptelektroden derart angeordnet, daß dadurch, daß die Zündfunkenstrecke angesprochen hat, auch die Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden, anspricht.
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Eine ähnliche Überspannungsschutzeinrichtung ist auch aus der
DE 199 14 313 A1 bekannt. Bei diese Überspannungsschutzeinrichtung mit einer "aktive Zündhilfe" ist dem Zündkreis zusätzlich noch eine Überwachungseinrichtung mit einer Anzeigeeinrichtung zugeordnet, die den Zündkreis bei thermischer oder dynamischer Belastung abschaltet.
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Die
DE 101 46 728 A1 offenbart ebenfalls eine Überspannungsschutzeinrichtung mit zwei Elektroden, einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen Durchschlag-Funkenstrecke und einer Zündhilfe. Bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung besteht die Zündhilfe aus einer Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements und eines Zündelements. Die Reihenschaltung aus Spannungsschaltelement und Zündelement ist dabei elektrisch zwischen die beiden Elektroden geschaltet, wobei zumindest das Zündelement in direktem Kontakt mit einer Elektrode steht.
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Tritt an dieser Überspannungsschutzeinrichtung eine Überspannung auf, die gleich oder größer als die durch das Spannungsschaltelement vorgegebene Ansprechspannung ist, so spricht das Spannungsschaltelement an, so daß über die Reihenschaltung erste Elektrode – Spannungsschaltelement – Zündelement – zweite Elektrode ein Ableitstrom zu fließen beginnt. Ab einer bestimmten Größe des Ableitstroms kommt es an der Kontaktstelle zwischen dem Zündelement und der zugeordneten Elektrode wegen des hohen Übergangswiderstandes an der Kontaktstelle zu Entladungen, die zu einer Vorionisierung des Kontaktbereichs führen, so daß sich ein Lichtbogen ausbildet, der die Kontaktstelle überbrückt. Dies führt dann schließlich zu einer Zündung der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden, so daß zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. Dabei kann das Spannungsschaltelement, bei dem es sich beispielsweise um einen Varistor oder einen gasgefüllten Spannungsableiter handeln kann, räumlich sowohl zwischen den beiden Elektroden als auch außerhalb der Lichtbogenbrennkammer angeordnet sein.
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Eine besondere Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Überspannungsschutzeinrichtung ist aus der der gattungsbildenden
DE 103 38 835 A1 bekannt. Bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung ist als Zündhilfe ebenfalls die Reihenschaltung eines Zündelements und eines Spannungsschaltelements vorgesehen, wobei bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung das Spannungsschaltelement vorzugsweise außerhalb des metallischen Gehäuses angeordnet ist. Darüber hinaus ist im Inneren des Gehäuses noch eine Zündelektrode angeordnet, die auf der einen Seite mit dem Gehäuse und auf der anderen Seite mit dem Zündelement verbunden ist. Das Zündelement ist somit zwischen der ersten Elektrode und der Zündelektrode angeordnet, so daß sich der Initiallichtbogen, der durch die Entladungen an der Kontaktstelle zwischen der ersten Elektrode und dem Zündelement entsteht, zwischen der ersten Elektrode und der Zündelektrode ausbildet.
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Bei der aus der
DE 103 38 835 A1 bekannten Überspannungsschutzeinrichtung wird das Auftreten eines Netzfolgestroms, der nach dem Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke und dem gewollten Abfließen des transienten Stoßstromes aufgrund der niederimpedanten Verbindung zwischen den beiden Elektroden fließen kann, dadurch verhindert, daß der Abstand zwischen den beiden Elektroden so groß gewählt ist, daß die Lichtbogenspannung größer als die erwartete Netzspannung ist.
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Aus der
DE 10 2004 006 988 A1 und der
DE 101 57 817 A1 ist jeweils eine Überspannungsschutzeinrichtung bekannt, bei der ein Zündkreis ganz oder teilweise in einem druckdichten Gehäuse integriert ist. Bei der aus der
DE 10 2004 006 988 A1 bekannten Überspannungsschutzeinrichtung soll die Zündhilfe vollständig in das druckfeste Gehäuse der Funkenstrecke integriert werden, wobei die Zündhilfe jedoch außerhalb des Brennraums des Lichtbogens angeordnet ist.
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Die
DE 101 57 817 A1 offenbart eine Funkenstreckenanordnung bestehend aus zwei einander gegenüberliegenden Hauptelektroden und einer Zündelektrode, wobei die Hauptelektrode ein kammerartiges Volumen einschließen, in dem eine Funktionsbaugruppe, beispielsweise eine Zündhilfe, vollständig angeordnet werden kann. Bei der Zündhilfe handelt es sich dabei um eine aktive Zündhilfe mit einem Impulsübertrager, so dass die Zündhilfe einen relativ großen Platzbedarf erfordert.
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Bei den bekannten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Überspannungsschutzeinrichtungen mit Zündhilfen führen die Zündhilfen zu einer verbesserten, nämlich niedrigeren und konstanteren Ansprechspannung. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß die Zündhilfen einen zusätzlichen Zündkreis mit spannugsschaltenden oder spannungsbegrenzenden Elementen aufweisen, die fehlerhaft sein können.
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Aus der Praxis sind leistungsfähige Überspannungsschutzeinrichtungen mit Funkenstrecken bekannt, die ein hohes Netzfolgestromlöschvermögen aufweisen und somit an leistungsstarken Netzen mit einer hohen Vorsicherung betrieben werden können. Die maximal zulässigen Sicherungswerte derartiger Überspannungsschutzeinrichtungen können dabei Werte von deutlich über 100 A, beispielsweise 250 A, 315 A oder 400 A aufweisen. Aus der Praxis sind Überspannungsableiter bekannt, die neben dem elektrischen Hauptpfad elektrische Hilfskreise aufweise, di. e z. B. zum Zünden von Funkenstrecken genutzt werden. Um die Kurzschlußfestigkeit aller elektrischen Pfade sicherzustellen, können auch diese Hilfskreise mit Vorsicherungen ausgestattet werden.
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Dabei darf es zwar zu einer Zerstörung der Funkenstrecke oder des Zündkreises kommen, diese Zerstörung muß jedoch "sicher" ablaufen, d. h. es darf nicht zu Schäden kommen, die nach außen auftreten, so daß sichergestellt ist, daß beispielsweise keine spannungsführenden Teile der Überspannungsschutzeinrichtung berührt werden können. Problematisch ist hierbei jedoch, daß bei den im Stand der Technik realisierten Zündhilfen die Elemente des Zündkreises, einschließlich der Zuleitungen und Leiterbahnen, nur eine Kurzschlußfestigkeit aufweisen, die weit unterhalb der geforderten Größenordnung liegt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs beschriebene Überspannungsschutzeinrichtung so weiterzubilden, daß alle parallelen Strompfade der Überspannungsschutzeinrichtung, sowohl die parallelen Strompfade der Funkenstrecke als auch der Zündkreis der Zündhilfe, einer Prüfung der Kurzschlußfestigkeit unterzogen werden können, ohne daß es zu nach außen auftretenden Schäden der Überspannungsschutzeinrichtung kommt, beispielsweise zu einer Beeinträchtigung der Schutzart der Überspannungsschutzeinrichtung.
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Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung, bei der diese Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des druckdichten Gehäuses eine Sicherung zwischen dem druckdichten Gehäuse und dem Zündelement oder der Zündelektrode angeordnet ist, wobei die Sicherung so ausgelegt ist, daß sie bei Anliegen eines bestimmten Kurzschlußstromes anspricht, so daß eine Beschädigung des Zündkreises durch den Kurzschlußstrom verhindert wird.
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Erfindungsgemäß ist somit eine Sicherung als Teil des Zündkreises vorgesehen, die – gewollt – bei Prüfung der Kurzschlußfestigkeit des Zündkreises auslöst. Dadurch, daß die Sicherung innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordnet ist, ist gewährleistet, daß eine Zerstörung der Sicherung nicht zu einer Beeinträchtigung der Schutzart der Überspannungsschutzeinrichtung führt. Insbesondere kann eine Zerstörung der innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordneten Sicherung nicht zu einer Beschädigung des äußeren, in der Regel aus Kunststoff bestehenden Gehäuses der Überspannungsschutzeinrichtung führen, was ansonsten dazu führen könnte, daß spannungsführende Teile nicht mehr sicher vor Berührung geschützt sind.
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Wie im Stand der Technik, so liegt auch die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung in der Regel parallel zum Eingang des zu schützenden Stromkreises bzw. der zu schützenden Anlage bzw. des zu schützenden Gerätes. Die Überspannungsschutzeinrichtung ist also elektrisch mit den Leitungen bzw. Anschlüssen verbunden, zwischen denen betriebsmäßig die Betriebsspannung bzw. die Netzspannung ansteht. Dabei ist die erste Elektrode der Überspannungsschutzeinrichtung mit der ersten Leitung bzw. dem ersten Anschluß und die zweite Elektrode der Überspannungsschutzeinrichtung mit der zweiten Leitung bzw. dem zweiten Anschluß verbunden.
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Tritt an der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung eine Überspannung auf, die gleich oder größer als die durch das Spannungsschaltelement vorgegebene Ansprechspannung ist, so spricht das Spannungsschaltelement an, so daß über die Reihenschaltung erster Anschluß – Spannungsschaltelement – Zündelement und/oder Zündelektrode – zweite Elektrode ein Ableitstrom zu fließen beginnt. Wie einleitend ausgeführt worden ist, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie die Zündhilfe realisiert ist. Die konkrete Ausgestaltung der Zündhilfe ist dabei für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich, insbesondere kann eine der zuvor beschriebenen Zündhilfen verwendet werden. Wesentlich ist dagegen, daß der Zündkreis durch die Sicherung gegen Überlast geschützt ist, und daß die Sicherung innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordnet ist.
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Vorzugsweise weist die Zündhilfe sowohl ein Zündelement als auch eine Zündelektrode auf, die miteinander und mit dem Spannungsschaltelement in Reihe geschaltet sind. Der Stromfluß durch das Zündelement führt dabei aufgrund des hohen Widerstands des Zündelements zu Entladungen bzw. zu einem Initiallichtbogen zwischen der Zündelektrode, die zwischen dem Gehäuse und dem Zündelement angeordnet ist, und der zweiten Elektrode. Durch den Initiallichtbogen wird Plasma erzeugt, welches sich mit fortschreitender Zeitdauer innerhalb der Lichtbogenbrennkammer ausbreitet. Sobald das Plasma die Lichtbogenbrennkammer ausreichend gefüllt hat, kommt es dann zum Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke, so daß ein Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden entsteht.
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Weist die Zündhilfe sowohl ein Zündelement als auch eine Zündelektrode auf, so ist die Sicherung auf der einen Seite mit dem druckdichten Gehäuse und auf der anderen Seite mit der Zündelektrode verbunden. Ist nur ein Zündelement und keine Zündelektrode vorgesehen, so ist die Sicherung auf der einen Seite mit dem druckdichten Gehäuse und auf der anderen Seite mit dem Zündelement verbunden. Darüber hinaus können die Zündelektrode und die Sicherung auch als ein Bauteil ausgebildet sein, wobei dann der die Zündelektrode bildende Teil des Bauteils mit dem Zündelement und der die Sicherung bildende Teil des Bauteils mit dem Gehäuse verbunden ist. Das Bauteil kann dabei beispielsweise als Stanzbiegeteil ausgebildet sein.
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Die innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordnete Sicherung ist vorzugsweise als Schmelzsicherung ausgebildet. Eine derartige Schmelzsicherung kann dabei besonders einfach dadurch realisiert werden, daß innerhalb des druckdichten Gehäuses ein dünner Metallstreifen oder ein entsprechend dimensionierter Draht angeordnet ist, der einerseits mit dem druckdichten Gehäuse und andererseits mit der Zündelektrode oder dem Zündelement verbunden ist. Der als Schmelzsicherung wirkende Metallstreifen bzw. der Draht ist dabei so dimensioniert, daß die Sicherung unter Nennableitbedingungen nicht auslöst, bei Anliegen eines entsprechenden Kurzschlußstromes jedoch zerstört wird, so daß der Kurzschlußstrom unterbrochen und die weiteren Elemente des Zündkreises, insbesondere auch die Zuleitungen und Leiterbahnen des Zündkreises durch den Kurzschlußstrom nicht beschädigt werden. Die Schmelzsicherung stellt somit einen zuverlässigen Überlastschutz für den Zündkreis dar, so daß bei einer Prüfung der Kurzschlußfestigkeit des Zündkreises höchstens die Schmelzsicherung zerstört wird. Dadurch, daß die Schmelzsicherung innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordnet ist, führt ein beim "Aufbrennen" der Schmelzsicherung entstehender Lichtbogen nicht zu einem Schaden außerhalb des druckdichten Gehäuses.
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Vorzugsweise ist darüber hinaus vorgesehen, daß die Lichtbogenbrennkammer zumindest im Bereich der Sicherung mit einem isolierenden, gasenden Material, beispielsweise einem gasenden Kunststoff, insbesondere POM ausgekleidet ist. Hierdurch wird im Falle eines auftretenden Lichtbogens durch die auftretende Druckerhöhung die Löschung des Lichtbogens begünstigt.
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Als Spannungsschaltelement kann ein Varistor, eine Surpressordiode, ein gasgefüllter Spannungsableiter oder eine Kombination der vorgenannten Bauelemente verwendet werden. Als Zündelement wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eine Multilayer-Leiterplatte aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Schichten und mindestens einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht verwendet, wobei die isolierende Schicht einen Bereich geschwächter Isolation aufweist, der vorzugsweise durch ein Loch in der isolierenden Schicht realisiert ist. Bezüglich der konkreten Ausgestaltung eines derartigen Zündelements wird auf die
DE 10 2004 009 072 A1 verwiesen.
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Um ein erneutes Zünden der Überspannungsschutzeinrichtung, d. h. der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, zu verhindern, sind grundsätzlich die verschiedenen, für sich aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen, anwendbar. Vorzugsweise wird jedoch ein erneutes Zünden der Überspannungsschutzeinrichtung durch Kühlen und Ausblasen des entstandenen Plasmas verhindert. Hierzu sind in dem Gehäuse Ausström- und Kühlkanäle vorgesehen, durch die das Plasma strömen und dabei auskühlen kann. Die Realisierung der Ausström- und Kühlkanäle kann dabei besonders vorteilhaft erfolgen, wenn das Gehäuse zweiteilig ausgebildet ist und die beiden Gehäusehälften koaxial zueinander angeordnet sind. Zwischen den beiden Gehäuseteilen sind dann schraubenförmige Ausström- und Kühlkanäle angeordnet, durch die zum einen das Plasma strömen kann, die zum anderen gleichzeitig zur Verschraubung der beiden Gehäuseteile miteinander dienen.
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Die zuvor beschriebene Zweiteiligkeit des Gehäuses, wobei die beiden Gehäuseteile koaxial zueinander angeordnet sind, bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die Gehäuseteile über eine maximale Länge miteinander zu verschrauben. Hierdurch wird neben der Verlängerung des zwischen dem Innengewinde des Gehäuseaußenteils und dem Außengewinde des Gehäuseinnenteils ausgebildeten Ausblasweges auch eine Erhöhung der Druckfestigkeit der Überspannungsschutzeinrichtung insbesondere in axialer Richtung erreicht.
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Vorteilhafterweise kann die Drucklastaufnahme des Gehäuses dadurch weiter erhöht werden, daß das innere Gehäuseteil einen zumindest teilweise konischen Außenumfang und das äußere Gehäuseteil einen zumindest teilweise konischen Innenumfang aufweist, so daß die Verschraubung zwischen dem inneren Gehäuseteil und dem äußeren Gehäuseteil konisch ausgeführt ist. Diese Konizität der Verschraubung ermöglicht eine Ausbildung des inneren Gehäuseteils und des äußeren Gehäuseteils derart, daß die beiden Gehäuseteile an ihren einander abgewandten Enden, an denen die beiden Gehäuseteile jeweils den Druck alleine aufnehmen müssen, die maximale Wandstärke aufweisen. Zu den anderen Enden hin verjüngt sich dagegen die Wandstärke des inneren und des äußeren Gehäuseteils, so daß dort, wo die Druckbelastung für die einzelnen Gehäuseteile am geringsten ist, auch deren Wandstärke minimal ist.
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Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
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2 eine vereinfachte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, kurz nach dem Ansprechen,
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3 eine vereinfachte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, kurz nach dem Ansprechen, und
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4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, teilweise im Längsschnitt.
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Die 1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung 1, mit einem – in 1 nur angedeuteten – druckdichten Gehäuse 2, in dessen Inneren zwei Elektroden 3, 4 angeordnet sind, wobei die beiden Elektroden 3, 4 einander gegenüberliegen und die in dem Gehäuse 2 ausgebildete Lichtbogenbrennkammer 5 begrenzen. Zwischen den beiden Elektroden 3, 4 existiert eine Durchschlag-Funkenstrecke, wobei beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden 3, 4 ein – hier nicht dargestellter – Lichtbogen entsteht.
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Die Lichtbogenbrennkammer 5 ist dabei – was aus der Schnittdarstellung der 4 jedoch nicht ersichtlich ist – so ausgebildet, daß sie die beiden Elektroden 3, 4 miteinander verbindet. Bei dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung 1 gemäß 4 verläuft die Lichtbogenbrennkammer 5 teilweise schräg zur Längserstreckung der Überspannungsschutzeinrichtung 1. Dadurch wird ein Entladungskanal geschaffen, der schräg zur Richtung des elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung verläuft, so daß die vom Lichtbogen zu überwindende Strecke zwischen den beiden Elektroden 3, 4 eine Querkomponente zum elektrischen Feld aufweist. Dies führt dazu, daß die an den beiden Elektroden 3, 4 anliegende elektrische Spannung, die nach dem Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke in der Lichtbogenbrennkammer 5 enthaltenen freien Ladungsträger nicht mehr durchgängig von der einen Elektrode 3 zur anderen Elektrode 4 beschleunigen kann, wodurch der Lichtbogen gelöscht werden kann.
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Die in den Figuren dargestellte Überspannungsschutzeinrichtung 1 weist neben der durch die beiden Elektroden 3, 4 gebildeten Funkenstrecke noch eine Zündhilfe auf, die aus einem Zündkreis 6 mit einem Zündelement 7, einer Zündelektrode 8 und einem Spannungsschaltelement 9 besteht. In 1 ist dabei angedeutet, daß anders als in den bevorzugten Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3 nicht zwingend sowohl ein Zündelement 7 als auch eine Zündelektrode 8 vorhanden sein müssen. Die Zündhilfe, durch die die Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung 1 auf den gewünschten Wert eingestellt werden kann, besteht bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 4 aus einer Reihenschaltung des Zündelements 7, der Zündelektrode 8 und des Spannungsschaltelements 9, wobei das Zündelement 7 zwischen der einen Hauptelektrode 4 und der Zündelektrode 8 angeordnet ist.
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Beim Auftreten einer Überspannung, die größer als die Ansprechspannung der Überspannungschutzeinrichtung 1 ist, fließt zunächst ein – in 2 durch Pfeile dargestellter – Strom von dem der ersten Elektrode 3 zugeordneten ersten Anschluß 10 über das metallische Gehäuse 2, die Zündelektrode 8 und das Zündelement 7 zur zweiten Elektrode 4 und damit auch zum zweiten Anschluß 11. Aufgrund des durch das Zündelement 7 fließenden Stromes entsteht ein Initiallichtbogen 12, durch den in der Lichtbogenbrennkammer 5 ein Plasma erzeugt wird, welches sich in Richtung der ersten Elektrode 3 ausbreitet. Ist die Lichtbogenbrennkammer 5 ausreichend mit Plasma gefüllt, so kommt es zur Zündung der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden 3, 4, so daß ein Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden 3, 4 entsteht.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß im Inneren des druckdichten Gehäuses 2 eine Sicherung 13 angeordnet ist, wobei die Sicherung 13 vorzugsweise gemäß 2 als dünner Metallstreifen 14 ausgebildet ist, der die Zündelektrode 8 elektrisch leitend mit dem metallischen Gehäuse 2 verbindet. Die Zündelektrode 8 ist dabei nicht direkt, sondern nur über den Metallstreifen 14 mit dem Gehäuse 2 verbunden, so daß der zuvor beschriebene Strom von der ersten Elektrode 3 zur zweiten Elektrode 4 über den Metallstreifen 14 fließt.
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Bei der Alternative gemäß 3 ist im Inneren des druckdichten Gehäuses 2 ein Bauteil 24, nämlich ein Stanzbiegeteil angeordnet, daß einerseits die Funktion der Zündelektrode 8 und andererseits die Funktion der Sicherung erfüllt. Hierzu weist das Bauteil 24 einen Teil auf, der mit dem Zündelement 7 verbunden ist und die Zündelektrode 8 bildet, und einen Teil, der mit dem Gehäuse 2 verbunden ist und die Sicherung bildet, wobei auch hier die Sicherung als Metallstreifen 14 ausgebildet ist.
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Beim Auftreten eines hohen Kurzschlußstromes oder bei einer Überprüfung der Kurzschlußfestigkeit des Zündkreises 6 kommt es dann zu einem gewollten Auslösen der Sicherung 13, d. h. zu einem "Aufbrennens" des Metallstreifens 14, wodurch der Stromfluß durch den Zündkreis unterbrochen und somit der Zündkreis 6 insgesamt, insbesondere auch die Zuleitungen 15 zu den einzelnen Elementen des Zündkreises 6, vor Beschädigung durch einen zu hohen Strom geschützt wird. Dadurch, daß der Metallstreifen 14 innerhalb des druckdichten Gehäuses 2 angeordnet ist, führt ein beim "Aufbrennen" des Metallstreifens 14 entstehender Lichtbogen nicht zu einem Schaden außerhalb des druckdichten Gehäuses 2, insbesondere nicht zu einer Beschädigung des in der Regel aus Kunststoff bestehenden – hier nicht dargestellten – äußeren Gehäuses der Überspannungsschutzeinrichtung 1.
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Damit der Kurzschlußstrom nach dem Auslösen sicher gelöscht wird, ist das Innere des druckdichten Gehäuses 2 im Bereich der Sicherung 13 bzw. des Metallstreifens 14 mit einem isolierenden, gasenden Material 16, beispielsweise POM oder PBT ausgekleidet.
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Bei der in den 2 bis 4 dargestellten Überspannungsschutzeinrichtung 1 ist das zylindrische Gehäuse 2 zweiteilig ausgebildet, wobei die beiden Gehäuseteile 17, 18 koaxial zueinander angeordnet sind. Hierdurch läßt sich zunächst besonders einfach ein, auch hohen Drücken standhaltendes, stabiles Gehäuse 2 realisieren, wozu das innere Gehäuseteil 17 in das äußere Gehäuseteil 18 eingeschraubt werden kann. Darüber hinaus können die Zwischenräume zwischen den beiden Gehäuseteilen 17, 18 als Ausström- und Kühlkanäle 19 für das austretende Plasma genutzt werden. Sind dabei die Ausström- und Kühlkanäle 19 schraubenförmig ausgebildet, so verlängert sich dadurch die Wegstrecke, die das Plasma im Gehäuse 2 entlang strömt, wodurch eine verbesserte Kühlung des ausströmenden Plasmas erreicht wird.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das erste, innere Gehäuseteil 17 einen im wesentlichen konischen Außenumfang und das zweite, äußere Gehäuseteil 18 einen entsprechenden konischen Innenumfang auf, so daß die Verschraubung zwischen dem inneren Gehäuseteil 17 und dem äußeren Gehäuseteil 18 insgesamt konisch ausgeführt ist. Dabei weisen das innere Gehäuseteil 17 und das äußere Gehäuseteil 18 an ihren einander abwandten Enden 20, 21 jeweils die maximale Wandstärke auf, während sich die Wandstärke des inneren Gehäuseteils 17 und des äußeren Gehäuseteils 18 in Richtung auf das andere Ende hin jeweils verjüngt. Somit sind die beiden Gehäuseteile 17, 18 an den Enden 20, 21, an denen sie jeweils den Druck alleine aufnehmen müssen, von ihrer Wandstärke her maximal. Durch die konische Ausbildung der beiden Gehäuseteile 17, 18 wird darüber hinaus erreicht, daß das Gehäuse 2 insgesamt sowohl einen konstanten Innendurchmesser als auch einen konstanten Außendurchmesser aufweist, wodurch bei gegebenen Anforderungen eine sehr geringe Baugröße der Überspannungsschutzeinrichtung 1 erreichbar ist.
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Zur elektrischen Kontaktierung der im Inneren des Gehäuses 2 angeordneten ersten Elektrode 3 ist ein Elektrodenhalter 22 vorgesehen, der ebenso wie die Elektrode 4 mittels eines Isolierteils 23 von dem Gehäuse 2 elektrisch isoliert ist. Im Unterschied zu den beiden Elektroden 3, 4, die in der Regel aus Kupfer-Wolfram bestehen, besteht der Elektrodenhalter 22 in der Regel aus Messing.