Überspannungsabieiter Ein Überspannungsabieiter dient zur Begrenzung gefährlicher oder unerwünschter Überspannungen in elektrischen Leitungen und Geräten. Dadurch kann eine überspannungsbedingte

Schädigung der Leitungen und Geräte vermieden werden. Gasgefüllte Überspannungsabieiter, die auch als Gasableiter bezeichnet werden, sind Überspannungsabieiter, bei denen die Überspannung im Gasableiter durch das selbsttätige Zünden einer Gasentladung abgebaut wird. Sie arbeiten nach dem gasphysikalischen Prinzip der Bogenentladung, wobei sich nach Erreichen der Ableiteransprechspannung, kurz als

Ansprechspannung oder als Zündspannung bezeichnet, innerhalb von Nanosekunden ein Lichtbogen im gasdichten Entladungsraum bildet. Durch die hohe Stromtragfähigkeit des Bogens wird die Überspannung effektiv kurzgeschlossen. Konventionelle

Gasableiter haben üblicherweise Ansprechspannungen von 70V bis zu einigen Kilovolt, was ihren Einsatzbereich begrenzt. Bislang gibt es gasgefüllte Überspannungsabieiter bis maximal lOkV Ansprechspannung. Für den Schutz von Mittelspannungstransformatoren im

Effektivspannungsbereich von 3kVrms bis 36kVrms (die Endung "rms" an die Einheit anschließend bezeichnet einen

Effektivwert) vor Überspannungen, die beispielsweise bei Blitzeinschlag auftreten können, können Überspannungsabieiter eingesetzt werden, die eine Reihenschaltung von

Metalloxidvaristoren und Luftfunkenstrecke umfassen, wie beispielsweise in der CA 2027288 beschrieben. Der Nachteil der offenen Luftfunkenstrecke ist, dass die Ansprechspannung abhängig von den Umgebungsbedingungen ist. Um diesen Effekt zu mindern, muss die Luftfunkenstrecke durch geeignete

Maßnahmen geschützt werden, was bisher nur unzureichend gelungen ist.

Gasgefüllte Überspannungsabieiter werden zu dem oben

genannten Zweck nicht eingesetzt, da keine Abieiter mit entsprechend hohen Ansprechspannungen zur Verfügung stehen. Es stellt sich die Aufgabe, einen alternativen

Überspannungsabieiter bereitzustellen, der zum Schutz vor hohen Spannungen verwendet werden kann. Ein solcher

Überspannungsabieiter soll geeignet sein zum Schutz von

Mittelspannungstransformatoren .

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Überspannungsabieiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Der Überspannungsabieiter umfasst einen gasdichten

Entladungsraum gebildet durch wenigstens einen Isolierkörper und zwei Elektroden, wobei die Elektroden sich in den

Entladungsraum erstrecken. Sie weisen einen Elektrodenabstand voneinander und einen Wandabstand zu der

Isolierkörperinnenwand auf, wobei der Elektrodenabstand gleich dem Doppelten des Wandabstands oder kleiner als das Doppelte des Wandabstands ist.

Der Entladungsraum ist ein gasdicht verschlossener Hohlraum, der von der Isolierkörperinnenwand sowie den Elektroden an den Stirnseiten des Isolierkörpers begrenzt ist. Die

Elektroden verschließen die Stirnseiten des Isolierkörpers hermetisch. Dies kann durch eine Vakuumdichtverbindung mittels Hartlot geschehen. Der Vorteil eines solchen Überspannungsabieiters ist, dass die Ansprechspannung des gasdichten Überspannungsabieiters unabhängig von den Umgebungsbedingungen ist.

Dieser Überspannungsabieiter funktioniert auch bei hohen Ansprechspannungen. Dies wird durch die Geometrievorgaben für das Verhältnis von Elektrodenabstand und Wandabstand

erreicht. Der Elektrodenabstand ist gleich dem Doppelten des Wandabstandes oder geringer als das Doppelte des

Wandabstandes. Für den Elektrodenabstand L und den

Wandabstand a ergibt sich damit formelmäßig: L =< 2*a. Diese Dimensionierungsvorschrift erlaubt die Bereitstellung von Überspannungsableitern mit hoher Ansprechspannung und

zuverlässigem Zündverhalten, bei denen unerwünschte Zündungen bereits bei Betriebswechselspannung vermieden werden.

Bei Einhaltung dieser Geometrievorschrift erfolgt die

Entladung nur über den Spalt zwischen den Elektroden.

Undefinierte Zündungen und Nebenentladungen, die entlang der Isolierkörperinnenwand verlaufen, werden vermieden. Somit erfolgt die Zündung zuverlässig nach Überschreiten einer vorgegebenen Ansprechspannung. Fehlzündungen bei geringeren Spannungen und Wandentladungen werden vermieden. Letzt genannte Aspekte gelten insbesondere, wenn auf Zündstriche, insbesondere entlang der Isolierkörperinnenwand, verzichtet wird .

Durch die beschriebene Bauform des Überspannungsabieiters, vorteilhafterweise unterstützt durch den Verzicht auf

Zündstriche, wird zuverlässig vermieden, dass es bereits beim Anlegen der Betriebswechselspannung, beispielsweise in Effektivspannungsbereichen von lOkVrms bis 30kVrms, zum ungewollten Zünden der Gasentladungsstrecke kommt.

Die Ansprechspannung des Ableiters Udc liegt deutlich über dem Maximalwert der Betriebspannung Uac. Es gilt folgender formelmäßiger Zusammenhang: Udc > Uac*sqrt (2 ) * 1 , 2 ; wobei sqrt(2) die Quadratwurzel von 2 ist. Für eine

Betriebswechselspannung von lOkV ergibt sich somit

beispielsweise eine Ansprechspannung des Ableiters von ca. 17 kV .

In einer vorteilhaften Ausführung weisen die Elektroden jeweils einen Basisbereich auf, der stirnseitig auf dem

Isolierkörper angeordnet ist, sowie ein freies Ende, das sich in den Entladungsraum erstreckt. Der Basisbereich kann auf der Stirnseite des Isolierkörpers aufgesetzt sein. Alternativ kann der Basisbereich zumindest teilweise im Isolierkörper an dessen Stirnseite versenkt sein. Eine solche Elektrode kann einstückig ausgebildet sein oder zwei oder mehr miteinander verbundene Teile umfassen.

Letzteres ermöglicht die Materialoptimierung hinsichtlich der unterschiedlichen Anforderungen an die beiden

Elektrodenbereiche. Die Bereiche können durch übliche

Verbindungsverfahren miteinander verbunden werden,

beispielsweise Schweißen oder Hartlötung.

Die freien Enden können stiftförmig ausgebildet sein. Ein stiftförmiges freies Ende ist langgestreckt, beispielsweise im Wesentlichen zylinderförmig, insbesondere

kreiszylinderförmig . Der Basisbereich ist im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet, um die Stirnseiten des

Isolierkörpers zu verschließen und somit den gasdichten Entladungsraum zu bilden. Die scheibenförmigen Basisbereiche haben im Vergleich zu Länge oder Breite ihrer Grundfläche eine geringe Höhe. Die Scheiben können rund sein oder eine andere Grundflächenform, beispielsweise eine eckige Form, haben.

In einer Ausführung weist der Basisbereich zwischen dem an der Isolierkörperstirnseite angeordneten Bereich und dem freien Ende eine oder mehrere Erhöhungen auf, die umlaufend angeordnet sind und sich in Richtung des Entladungsraumes erstrecken. Eine solche Erhöhung kann als kreisförmige

Erhebung ausgebildet sein. Es sind auch mehrere Erhöhungen, die entlang einer umlaufenden Bahn, z.B. eines Kreises, um das freie Ende angeordnet sind, denkbar. Diese Erhöhungen ermöglichen bei der Montage, die Elektrode an der Stirnseite des Isolierkörpers zu positionieren und in die stirnseitige Öffnung einzupassen.

Der Isolierkörper kann hohlzylinderförmig, insbesondere hohlkreiszylinderförmig sein, was mit einer einfachen

Fertigung einhergeht.

Der Entladungsraum ist gasgefüllt. Die Überspannung wird durch das selbsttätige Zünden der Gasentladung abgebaut. Die Gasfüllung des Entladungsraumes kann Stickstoff oder

Gasmischungen von Stickstoff und Wasserstoff umfassen, das als Isoliergas dient.

Ein solcher Überspannungsabieiter erlaubt Ansprechspannungen, die größer als lOkV, insbesondere größer als 15kV, sind. Der Elektrodenabstand kann zwischen 8mm und 16mm und der Wandabstand zwischen 5mm und 9mm betragen. Diese

Dimensionierung ermöglicht hohe Ansprechspannungen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Überspannungsabieiters sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die oben beschriebenen Anordnungen werden im Folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen, vielmehr können die Darstellungen in einzelnen Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.

Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines

Ausführungsbeispiels eines Überspannungsabieiters und

Figur 2 eine Schnittdarstellung dieses

Überspannungsabieiters . Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines

Überspannungsabieiters 1. Dieser weist einen

hohlzylinderförmigen Isolierkörper 5 auf. An dessen

Stirnseiten sind eine erste Elektrode 7 und eine zweite

Elektrode 13 angeordnet, welche einen Hohlraum im Inneren des Überspannungsabieiters 1 begrenzen, der als gasdichter

Entladungsraum dient. In der Figur 1 sind lediglich die Basisbereiche 11, 17 der Elektroden 7, 13 zu sehen, welche den Isolierkörper

verschließen, um den gasdichten Entladungsraum zu bilden. Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Längsachse 21 durch den Überspannungsabieiter 1, der in Figur 1

dargestellt ist.

Der Überspannungsabieiter 1 umfasst einen gasdichten

Entladungsraum 3, der gebildet wird durch den

hohlkreiszylinderförmigen Isolierkörper 5 und den an dessen Stirnseiten angeordneten ersten und zweiten Elektroden 7, 13. Der Isolierkörper 5 kann auch eine andere Form mit einem Loch oder einer Aussparung aufweisen. Er ist aus nichtleitendem Material, beispielsweise Keramik.

Die erste und die zweite Elektrode 7, 13 haben jeweils scheibenförmige Basisbereiche 11, 17 sowie in den

Entladungsraum 3 hineinragende freie Enden 9, 15, sodass die freien Enden 9, 15 in den vom Isolierkörper 5 umgebenen Raum ragen. Der Basisbereich 11, 17 ist derart mit dem

Isolierkörper 5 verbunden, dass der Hohlraum gasdicht

verschlossen ist. Über die Außenseiten der Basisbereiche 11, 17 erfolgt die Außenkontaktierung des Überspannungsabieiters 1.

Die freien Enden 9, 15, sind im Zentrum der Basisbereiche 11, 17 angeordnet. Sie ragen in den Entladungsraum 3 und sind aufeinander ausgerichtet. Zwischen den freien Enden 9, 15 erfolgt die Gasentladung. Die freien Enden 9, 15 sind

stiftförmig ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel sind sie kreiszylinderförmig ausgestaltet. Andere Formen,

beispielsweise kegelförmig, sind denkbar. In diesem Ausführungsbeispiel haben die freien Enden 9, 15 einen

Kopfbereich 10, 16, in dem sie abgeschrägt sind. Andere

Ausgestaltungen eines solchen Kopfbereichs 10, 16 haben andere Formen der Querschnittsverringerung, beispielsweise eine Spitze, Kante oder Stufe.

Die Basisbereiche 11, 17 weisen in diesem Ausführungsbeispiel in den Entladungsraum 3 hineinreichende ringförmig umlaufende Erhöhungen 19 auf, die zwischen dem Bereich, der auf der Isolierkörperstirnseite angeordnet ist, und dem freien Ende 9, 15 angeordnet sind. Alternativ sind auch mehrere runde, strichförmige oder anders geformte Erhöhungen 19 denkbar, die umlaufend an der Isolierkörperinnenwand 23 angeordnet sind. Diese Erhöhung 19 beziehungsweise Erhöhungen ermöglichen bei der Montage die genaue Positionierung der Elektroden 7, 13 an den Stirnseiten des Isolierkörpers 5. Die Erhöhung 19 reicht nicht so weit ins Entladungsrauminnere wie das freie Ende 9, 15. Solche Erhöhungen 19 können beispielsweise durch Stanzen geformt werden.

Die Elektroden 7, 13 können metallen sein, wobei für den Basisbereich 11, 17 und das freie Ende 9, 15 verschiedene Materialen verwendet werden können. Dies erlaubt eine

Materialoptimierung hinsichtlich der unterschiedlichen

Elektrodenbereiche und ihrer Funktionen.

In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl der Isolierkörper 3 als auch die Elektroden 7, 13, insbesondere deren freien Enden 9, 15, rotationssymmetrisch um die Längsachse 21 des Überspannungsabieiters 1 ausgebildet. Zudem ist dieses

Ausführungsbeispiel spiegelsymmetrisch. Insbesondere die Erhöhungen 19 und/oder die Basisbereiche 11, 17 können hinsichtlich ihrer Form beziehungsweise ihrer Grundfläche von der Rotationssymmetrie abweichen. Denkbar sind Basisbereiche 11, 17 mit eckiger oder einseitig gerader Grundfläche, um die Montage des Bauelements zu erleichtern. Zwischen den Stirnseiten der freien Enden 9, 15 der

Elektroden 7, 13 ist der Elektrodenabstand L definiert, der in diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Längsachse 21 verläuft. Die freien Enden 9, 15 weisen einen Wandabstand a zur Isolierkörperinnenwand 23 auf. Der Wandabstand a ist der Abstand zwischen der Außenseite des freien Endes 9, 15 und der benachbarten Isolierkörperinnenwand 23; er verläuft in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zur Längsachse 21. Der Elektrodenabstand L ist so gewählt, dass er gleich dem

Doppelten oder wenigstens weniger als das Doppelte des

Wandabstandes a ist, also L =< 2*a. Diese Bedingung soll auch bei freien Enden 9, 15 und/oder einem Isolierkörpers 5, deren Durchmesser entlang der Längsachse 21 variieren, für die verschiedenen Wandabstände a jenseits der Verbindungsstelle mit oder dem Übergang zum Basisbereich sowie vorzugsweise im Kopfbereich der freien Enden erfüllt sein.

Weitere Kenngrößen des Überspannungsabieiters sind seine Höhe H, gemessen zwischen den Außenseiten der Basisbereiche 11, 17 der Elektroden 7, 13 und sein Durchmesser D, der dem

Außendurchmesser des Isolierkörpers 5 entspricht.

Der Außendurchmesser D eines solchen Überspannungsabieiters 1 kann beispielsweise 30mm bis 36mm betragen, die Höhe H 22mm bis 36mm. Der Elektrodenabstand L kann zwischen 8mm und 16mm und der Wandabstand a zwischen 5mm und 9mm betragen.

Ein solcher gasgefüllter Überspannungsabieiter 1 kann

Ansprechspannungen von 17kV bis 34kV haben und ist geeignet für den Einsatz bei Betriebswechselspannungen von lOkVrms bis 20kVrms. Die Gasfüllung kann Stickstoff oder Gasmischungen mit Stickstoff und Wasserstoff umfassen. Ein solcher Überspannungsabieiter hat nach der Norm

IEC 60099-1 eine Belastungsfähigkeit von 22 Impulsen von lOkA und 8/20ys, zwei Impulsen von lOOkA und 4/10ys sowie 20 Impulsen von 250A und 2000ys. Es sei bemerkt, dass die Merkmale der Ausführungen und

Ausführungsbeispiele kombinierbar sind.

Bezugs zeichenliste

1 Überspannungsabieiter 3 Entladungsraum

5 Isolierkörper

7, 13 Elektrode

9, 15 freies Ende

10, 16 Kopfbereich

11, 17 Basisbereich

19 Erhöhung

21 Längsachse

L Elektrodenabstand a Wandabstand

D Durchmesser

H Höhe