Überspannungsabieiter Die Erfindung betrifft einen Überspannungsabieiter, bei dem die Ansprechstoßspannung reduziert ist.

Überspannungsabieiter lassen sich zum Schutz von Datenleitungen vor einer Überspannung, die mit der Datenleitung verbun- dene Kommunikationseinrichtung möglicherweise beschädigen würde, einsetzen. Ein weiteres Anwendungsgebiet, bei dem Überspannungsabieiter zum Einsatz kommen, ist der Netzschutz. Ein Überspannungsabieiter, der an eine Versorgungsleitung eines Wechselstromnetzes angeschlossen ist, dient beispielswei- se dem Schutz der Versorgungsleitung vor einer Überspannung bei einem Blitzeinschlag.

Im Unterschied zum Schutz von Datenleitungen, auf denen geringe Ströme fließen, treten auf Versorgungsleitungen in Wechselstromnetzen deutlich höhere Ströme von meistens über 100 A und gegenüber Datenleitungen auch deutlich erhöhte Spannungen, beispielsweise Spannungen von 110 V bis 400 V AC, auf. Beim Auftreten eines Spannungsimpulses auf der Versor ^¬ gungsleitung in Folge eines Blitzschlages soll der Überspan- nungsableiter zünden, den Überspannungsimpuls nach Masse ab ^¬ leiten und anschließend wieder erlöschen.

Derartige Abieiter für Versorgungsleitungen von Wechselstromnetzen müssen einen sogenannten Schutzpegel einhalten. In der Vorschrift DIN EN 61643-11 ist beispielsweise gefordert, dass die Ansprechspannung bei einem angelegten Spannungsimpuls der Form 1,2/50 ys mit einer Maximalamplitude von 6 kV einen Wert von typischerweise 1500 V nicht übersteigen darf, wobei gleichzeitig eine minimale Ansprechspannung von 500 V gefor ^¬ dert ist. Der Spannungsimpuls der Form 1,2/50 ys ist dabei ein Gleichspannungsimpuls, der innerhalb von 1,2 ys auf 6 kV ansteigt und innerhalb von 50 ys auf den halben Wert ab- klingt.

In jüngster Zeit treten vermehrt Forderungen nach einer Reduzierung des Schutzpegels von beispielsweise den genannten 1500 V auf zum Beispiel 1000 V auf. Des Weiteren ist gefor- dert, dass trotz der Reduzierung des Schutzpegels andere cha ^¬ rakteristische Parameter des Abieiters beibehalten werden sollen. Dies bedeutet de facto eine Reduzierung der Ansprechstoßspannung bei Beibehaltung der Ansprechgleichspannung des Abieiters. Beispielsweise soll bei einem Überspannungsablei- ter zwar die Ansprechstoßspannung reduziert werden, gleichzeitig aber beim Auftreten eines langsamen Spannungsanstieges auf der Leitung, beispielsweise eines Spannungsanstiegs von 400 V innerhalb von 5 ms, wie er im normalen Netzbetrieb vor ^¬ kommen kann, kein Zünden des Abieiters vor Erreichen einer Ansprechgleichspannung von 600 V auftreten.

Es besteht ein Bedarf daran, einen Überspannungsabieiter anzugeben, bei dem die Ansprechstoßspannung unter Beibehaltung der Ansprechgleichspannung des Abieiters reduziert ist.

Eine Ausführungsform eines derartigen Überspannungsabieiters ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Der Überspannungsabieiter umfasst einen elektrischen Isola- tor, der einen Hohlraum umgibt, eine Stiftelektrode und eine Rohrelektrode, die in dem Hohlraum angeordnet sind, wobei die Stiftelektrode in die Rohrelektrode hinein ragt. Auf einer dem Hohlraum zugewandten inneren Oberfläche des Isolators ist mindestens ein Zündstrich aufgetragen. Des Weiteren ist auf einer äußeren Oberfläche des Isolators eine Außenmetallisie ^¬ rung angeordnet. Durch das Aufbringen einer Außenmetallisierung auf dem Isolator, beispielsweise einem Isolator aus einem keramischen Material, in Verbindung mit einem koaxialen Aufbau der Elektroden kann die Ansprechstoßspannung unter Beibehaltung der Ansprechgleichspannung reduziert werden. Durch Kombination von äußeren metallischen Belägen mit einem koaxialen inneren Aufbau gelingt es, die Ansprechstoßspannung, beispielsweise auf einen Schutzpegel von 1000 V, zu reduzieren, wobei eine An ^¬ sprechgleichspannung von 600 V bei einem Spannungsanstieg von 400 V pro 5 ms erhalten bleibt. Feldsimulationen zeigen, dass durch diese Kombination beim Aufbau des Überspannungsablei- ters besonders hohe Feldstärken im Inneren des Abieiters er ^¬ reicht werden können, insbesondere an der Spitze der Zünd ^¬ striche, was zu Reduzierung der Ansprechstoßspannung führt. Die Außenmetallisierung kann beispielsweise ringförmig auf der äußeren Oberfläche des Isolators angebracht sein. Bei der ringförmigen Anordnung der Außenmetallisierung um den Umfang des Abieiters weist die Außenmetallisierung zwei Abschnitte auf. Die Abschnitte sind jeweils auf der äußeren Oberfläche des Isolators angeordnet und erstrecken sich jeweils von ei ^¬ nem Rand der äußeren Oberfläche des Isolators ausgehend auf ^¬ einander zu. Die beiden Ränder der äußeren Oberfläche des Isolators sind dabei verschiedenen Anschlusselektroden des Überspannungsabieiters zugewandt. Die äußere Oberfläche des Isolators kann an jedem ihrer Ränder mit einer der Anschlusselektroden des Überspannungsabieiters verbunden sein. Einer der Abschnitte der äußeren Metallisierungsschicht kann mit der Stiftelektrode elektrisch verbunden sein und der andere der Abschnitte der äußeren Metallisierungsschicht kann mit der Rohrelektrode in elektrischem Kontakt stehen. Zwischen den Abschnitten der Außenmetallisierung, in etwa der Mitte der äußeren Oberfläche des Isolators, verbleibt ein Spalt, der frei vom Material der Außenmetallisierung ist und somit eine Isolationsstrecke darstellt.

Bei einer anderen Ausführungsform kann sich die Außenmetallisierung auf der Oberfläche des Isolators einseitig von einem Rand der Oberfläche des Isolators, an dem der Isolator mit einer Anschlusselektrode des Überspannungsabieiters verbunden ist, in Richtung auf den anderen Rand der äußeren Oberfläche des Isolators, der mit der anderen Anschlusselektrode verbun ^¬ den ist, erstrecken. Die Außenmetallisierung erstreckt sich beispielsweise von demjenigen Rand der äußeren Oberfläche des Isolators, der der Stiftelektrode zugewandt ist, in Richtung auf den gegenüberliegenden Rand der äußeren Oberfläche des Isolators, der der Rohrelektrode zugewandt ist. Die Außenme ^¬ tallisierung steht mit der Stiftelektrode in elektrischem Kontakt und endet in einem Abstand von dem Rand der äußeren Oberfläche des Isolators, der der Rohrelektrode zugewandt ist .

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Aus- führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert .

Es zeigen: Figur 1 eine Ausführungsform eines Überspannungsabieiters ohne äußere Metallisierung mit einer Feldlinienverteilung vor einem Zünden des Abieiters, eine Ausführungsform eines Überspannungsabieiters mit einer zweiseitigen äußeren Metallisierung und einer zugehörigen Feldlinienverteilung vor einem Zünden des Abieiters, eine Ausführungsform eines Überspannungsabieiters mit einer einseitigen äußeren Metallisierung und einer zugehörigen Feldlinienverteilung vor einem Zünden des Abieiters, eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Überspannungsabieiters mit zweiseitiger Au ^¬ ßenmetallisierung . Figur 1 zeigt eine Ausführungsform 1 eines elektrischen Bauelements eines Überspannungsabieiters mit einem koaxialen Aufbau von Elektroden im Inneren des Spannungsabieiters. Der Überspannungsabieiter 1 umfasst einen elektrischen Isolator 10, der einen Hohlraum 20 umgibt. Der Isolator 10 kann ein keramisches Material, beispielsweise ein Material das Alumi ^¬ niumoxid, enthalten. In dem Hohlraum 20 ist eine Stiftelekt ^¬ rode 30 und eine Rohrelektrode 40 angeordnet. Der Hohlraum 20 zwischen der Stiftelektrode 30, der Rohrelektrode 40 und dem elektrischen Isolator 10 kann mit einer Gasmischung, die bei- spielsweise einen Argon-Anteil von zirka 35 % bis 95 "6 _/ θϊΠθΠ Wasserstoff-Anteil On 5 "6 bis 20 % und einen Neon-Anteil von bis zu 50 % enthält, gefüllt sein.

Die Stiftelektrode 30 ragt in die Rohrelektrode 40 hinein und ist elektrisch mit einer Anschlusselektrode 71 verbunden. Die Rohrelektrode 40 umgibt die Stiftelektrode 30 und ist elekt ^¬ risch mit einer Anschlusselektrode 72 verbunden. Die Rohrelektrode und die Stiftelektrode sind derart angeordnet, dass zwischen ihnen ein Spalt 21 gebildet wird, der einen Entladungsraum des Überspannungsabieiters bildet. Die Stiftelekt ^¬ rode und die Rohrelektrode können Kupfer, Eisen oder eine Wolfram-Kupfermischung enthalten. Die Anschlusselektroden 71, 72 können aus Kupfer oder Fe-Ni-Legierung hergestellt sein.

Auf einer inneren Oberfläche SlOa des Isolators 10, die dem Hohlraum 20 zugewandt ist, kann ein oder mehrere Zündstriche 50 aufgetragen sein. Der Zündstrich 50 kann ein Material aus Graphit enthalten. Durch einen derartigen Zündstrich kann vor allem ein gutes dynamisches Zündverhalten des Ableiterbauele ^¬ ments sichergestellt werden. Im Entladefall fließt ein Strom von der Anschlusselektrode 71 zur Stiftelektrode 30, über die Funkenstrecke des Entladungsraums 21 zur Rohrelektrode 40 und von dort zur Anschlusselektrode 72. Im Entladungsraum 21 erfolgt die Stoßstromentladung vor allem in radialer Weise.

In Figur 1 sind die bei der Stoßstromentladung auftretenden Feldlinien im rechten Teil des Überspannungsabieiters einge- zeichnet. Aus Vereinfachungsgründen ist der Feldlinienverlauf nur im rechten Teil des Überspannungsableiterbauelements ein ^¬ gezeichnet. Im linken Teil des Überspannungsabieiters verlau ^¬ fen die Feldlinien entsprechend. Die Feldlinien geben Äquipo- tenziallinien an. Die Feldlinien verlaufen durch den Entla- dungsraum 21 des Hohlraums 20 zwischen der Stiftelektrode 30 und Rohrelektrode 40 und im Teil des Hohlraums 20 zwischen dem Isolator 10 und die Rohrelektrode 40. Die Feldlinien tre ^¬ ten an Restisolationsbereichen 11, 12 der inneren Oberfläche des Isolators, die nicht von dem Zündstrich 50 bedeckt sind, in die äußere Umgebung des Bauelements aus.

Bei den folgenden Ausführungsformen 2 und 3 des Überspannungsabieiters sind gleiche Elemente wie in Figur 1 mit glei- chen Bezugszeichen bezeichnet. Es wird im Folgenden nur noch auf die Unterschiede zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungs ^¬ formen 1 des Überspannungsabieiters eingegangen. Bei den Aus ^¬ führungsformen 2 und 3 des Überspannungsabieiters ist im Un- terschied zur Ausführungsform 1 zusätzlich eine Außenmetallisierung auf einer äußeren Oberfläche SlOb des Isolators 10 angeordnet .

Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform 2 des Über- spannungsableiters umfasst die Außenmetallisierung einen Ab ^¬ schnitt 61 und einen Abschnitt 62, die auf der äußeren Ober ^¬ fläche SlOb des Isolators in einem Abstand d _a i angeordnet sind. Der Abschnitt 61 der Außenmetallisierung ist mit der Anschlusselektrode 71 verbunden und der Abschnitt 62 der Au- ßenmetallisierung ist mit der Anschlusselektrode 72 verbunden. Der Abschnitt 61 der Außenmetallisierung erstreckt sich auf der äußeren Oberfläche SlOb des Isolators 10 ausgehend von einem Rand Rl der äußeren Oberfläche des Isolators, der der Außenelektrode 71 bzw. der Stiftelektrode 30 zugewandt ist, in Richtung auf den Abschnitt 62 der Außenmetallisie ^¬ rung. Der Abschnitt 62 der Außenmetallisierung erstreckt sich auf der äußeren Oberfläche SlOb des Isolators 10 ausgehend von einem dem Rand Rl gegenüberliegenden Rand R2 der äußeren Oberfläche des Isolators, der mit der Außenelektrode 72 ver- bunden ist bzw. der Rohrelektrode 40 zugewandt ist, in Rich ^¬ tung auf den Abschnitt 61 der Außenmetallisierung. Zwischen den Metallisierungsschichten 61 und 62 wird ein Spalt gebildet . Die Spaltbreite bzw. der Abstand d _a i zwischen dem Abschnitt

61 und dem Abschnitt 62 der Außenmetallisierung ist abhängig vom inneren Hauptelektrodenabstand d± und dem Füllgasdruck pi der Gasentladungsstrecke 21. Wenn p _a den Außendruck der Umge- bung des Isolators (üblicherweise 1 at) und d _a i, _m in den minima ^¬ len Abstand der Metallisierung und 61, 62 im Spaltbereich bezeichnet, können die Abschnitte 61, 62 der Außenmetallisie ^¬ rung derart auf der äußeren Oberfläche SlOb des Isolators an- geordnet werden, dass sich der minimale Abstand zwischen den Metallisierungen zu d _a i, _m in = Pi/Pa * d± ergibt.

Um mögliche Gleitentladungseffekte einer Entladung auf der äußeren Oberfläche SlOb des Isolatorkörpers 10 zu verhindern, kann der Außenabstand d _a i mindestens so groß sein, wie das doppelte des Produkts aus dem Abstand d± zwischen der Stift ^¬ elektrode 30 und der Rohrelektrode 40 und dem Quotienten aus dem Innendruck pi des Füllgases 80 im Hohlraum 20 und dem äußeren Atmosphärendruck p _a der Umgebung des Überspannungsab- leiters. Vorausgesetzt werden dabei Füllgase mit einer ähnli ^¬ chen Paschenkurve wie für Luft. Somit ergibt sich die Bezie ^¬ hung d _a i > 2 * pi / p _a * d± bzw. für einen Außendruck von p _a = 1 at ergibt sich d _a i vorzugsweise zu d _a i > 2 * p± * d± . Sollte die Gasentladungsstrecke undicht werden, so sollte die Außenisolationsstrecke d _a i größer sein als der Hauptelektro ^¬ denspalt di, da ansonsten anstelle einer Entladung im Entla ^¬ dungsraum 21 eine Außenentladung auftreten würde. Daher kann der Abstand d _a i zu d _a i > 2 * d± gewählt werden.

Der Zündstrich 50 kann in einem Abstand d _z i von der Außenelektrode 71 entfernt und in einem Abstand d _Z 2 von der Außen ^¬ elektrode 72 entfernt angeordnet sein. Die Länge des Ab ^¬ schnitts 61 der Außenmetallisierung kann größer als der Ab- stand d _z i des Zündstrichs sein. Die Länge des Abschnitts 62 der Außenmetallisierung kann größer als der Abstand d _Z 2 des Zündstrichs sein. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform 3 des Überspannungsab ^¬ ieiters, bei der als äußere Metallisierung nur eine Außenme- tallisierungsschicht 63 auf der äußeren Oberfläche SlOb des Isolators 10 angeordnet ist. Die Außenmetallisierung 63 er- streckt sich auf der äußeren Oberfläche SlOb des Isolators ausgehend von dem Rand Rl der äußeren Oberfläche des Isola ^¬ tors, der der Anschlusselektrode 71 bzw. der Stiftelektrode 30 zugewandt ist, in Richtung auf den gegenüberliegenden Rand R2 der äußeren Oberfläche des Isolators, der der Anschluss- elektrode 72 bzw. der Rohrelektrode 40 zugewandt ist. Die Au- ßenmetallisierungsschicht 63 ist mit der Außenelektrode 71 verbunden und zu der Außenelektrode 72 im Abstand d _a 2 ange ^¬ ordnet. Die Außenmetallisierung 63 endet in einem Abstand d _a 2 von dem Rand R2 entfernt.

Der Zündstrich 50 ist in einem Abstand d _Z 2 von der Außen ^¬ elektrode 72 angeordnet. Der Abstand d _a 2 der Außenmetallisie ^¬ rung 63 von der Außenelektrode 72, der der Restisolations ^¬ strecke der Außenmetallisierung zur Gegenelektrode 72 ent- spricht, ist kürzer als der Abstand d _Z 2 des Zündstrichs 50 von der Außenelektrode 72.

Des Weiteren ist der Abstand d _a 2 zwischen der Außenmetalli ^¬ sierung 63 und der Außenelektrode 72 mindestens so groß wie das Doppelte des Produkts aus dem Abstand d± zwischen der

Stiftelektrode 30 und der Rohrelektrode 40 und dem Quotienten aus dem Innendruck pi des im Hohlraum 20 befindlichen Füllgases 80 und dem äußeren Atmosphärendruck p _a der Umgebung des Überspannungsabieiters .

Bei der Ausführungsform 3 des Überspannungsabieiters ist der Abstand d _a 2 der Außenmetallisierungsschicht 63 zur Außen ^¬ elektrode 72 vom inneren Elektrodenabstand d±, dem Füllgas- druck pi der Gasentladungsstrecke 21 sowie dem äußeren Atmo ^¬ sphärendruck p _a abhängig. Der minimale Abstand d _a 2, _m in der Au ^¬ ßenmetallisierung 63 von der Anschlusselektrode 72 kann zu d _a 2,min = Pi/Pa * d± gewählt werden.

Um mögliche Gleitentladungseffekte einer Entladung auf der äußeren Oberfläche SlOb des Isolators 10 zu verhindern, soll ^¬ te der Abstand d _a 2 zwischen der Außenmetallisierung 63 und der Außenelektrode 72 das doppelte des Produkts aus dem Ab- stand d± zwischen der Stiftelektrode 30 und der Rohrelektrode 40 und dem Quotienten aus dem Innendruck pi des Füllgases 80 im Hohlraum 20 und dem äußeren Atmosphärendruck p _a der Umgebung des Überspannungsabieiters betragen. Vorausgesetzt wer ^¬ den dabei Füllgase mit einer ähnlichen Paschenkurve wie für Luft. Somit ergibt sich die Beziehung d _a 2 > 2 * pi / p _a * d± bzw. für einen Außendruck von p _a = 1 at ergibt sich d _a 2 vor ^¬ zugsweise zu d _a 2 > 2 * pi * d± .

Wenn die Gasentladungsstrecke undicht wird, so sollte die Au- ßenisolationsstrecke d _a 2 größer sein als der Hauptelektroden ^¬ spalt di, da ansonsten anstelle einer Entladung im Entladungsraum 21 eine Außenentladung auftreten würde. Daher kann der Abstand d _a 2 zu d _a 2 > 2 * d± gewählt werden. In Abhängigkeit von den geforderten Spannungsanstiegen kann die Schichtdicke der Außenmetallisierungen 61, 62, 63 zwischen 3 ym bis 25 ym betragen. Es kann jedoch auch eine metallene Kappe mit einer Dicke im Millimeter-Bereich über den Isolator 10 geschoben werden.

Wie den Feldlinienverteilungen in den Figuren 2 und 3 zu entnehmen ist, werden die Feldlinien an den Enden des Zündstrichs 50 und den Enden der Außenmetallisierung zusammenge- - li drängt, so dass in diesen Bereichen hohe Feldstärken im Inneren des Abieiters erreicht werden, die zu einer Reduzierung der Ansprechstoßspannung der Bauelemente führen. Gleichzeitig kann durch die Ausführungsformen 2 und 3 des Überspannungsabieiters die Ansprechgleichspannung, beispielsweise eine statische Zündspannung von zirka 600 V, beibehalten werden.

Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Überspannungs ^¬ abieiters gemäß der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform 2. Der Überspannungsabieiter weist einen um den Hohlraum 20 zylinderförmig angeordneten Isolator 10 auf. Der Isolator 10 ist an seinen Rändern mit der Außenelektrode 71 und der Au ^¬ ßenelektrode 72 verbunden. Die Anschlusselektroden 71, 72 sind mit Anschlussbolzen 91, 92 verbunden. Die Außenmetallisierung ist ringförmig auf der äußeren Oberfläche SlOb des Isolators angeordnet. Die beiden Abschnitte 61, 62 der Außen ^¬ metallisierung sind um den Abstand d _a i beabstandet zueinander angeordnet .

Bezugs zeichenliste

1, 2, 3 Ausführungsformen des Überspannungsabieiters

10 Isolator

20 Hohlraum

21 Entladungsraum

30 Stiftelektrode

40 Rohrelektrode

50 Zündstrich

61, 62, 63 Außenmetallisierung

71, 72 Anschlusselektroden

80 Füllgas

91, 92 Anschlussbolzen