EP2074686B1

EP2074686B1 - Funkenstreckenanordnung für höhere bemessungsspannungen

Info

Publication number: EP2074686B1
Application number: EP08831279A
Authority: EP
Inventors: Arnd Ehrhardt; Michael Waffler; Stephan Hierl; Werner Riel
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2028-10-14
Also published as: DE102008049471A1; ATE456875T1; WO2009050148A1; EP2074686A1; DE502008000350D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Funkenstreckenanordnung für höhere Bemessungsspannungen, wobei mindestens zwei, gegenüberliegende Elektroden aufweisende Funkenstrecken in Reihe geschaltet sind und mindestens eine der Funkenstrecken aktiv, d.h. triggerbar ausgeführt ist, für den Einsatz als blitzstromtragfähiger Netzableiter, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Reihenschaltung von zwei Funkenstrecken für die Begrenzung von Überspannungen in Niederspannungsanlagen, bestehend aus drei Elektroden, wobei für die Schaffung jeder Funkenstrecke zwei dieser Elektroden sich jeweils mit einer Fläche gegenüberliegen und durch eine Isolationsschicht voneinander im Abstand gehalten sind, ist aus der DE 39 14 624 C2 vorbekannt. Die dortigen Funkenstrecken besitzen eine stark unterschiedliche Eigenkapazität, wodurch die Ansprechspannung der Gesamtanordnung im Wesentlichen durch die Funkenstrecke mit der kleineren Kapazität bestimmt wird.
Aus der DE 42 40 138 A1 ist eine ausblasende Funkenstrecke vorbekannt, bei welcher in Reihe zu einer kurzen Funkenstrecke mit Isolationsmaterial eine oder mehrere Funkenstrecken mit niederohmigem Material in Reihe geschaltet sind. Hierbei definiert die Funkenstrecke mit dem Isolationsmaterial die Ansprechspannung der Gesamtanordnung.
Bei der blitzstromtragfähigen Mehrfachfunkenstrecke nach EP 1 381 127 A2 wird von mehreren, in Reihe geschalteten Teilfunkenstrecken ausgegangen, wobei die Teilfunkenstrecken mit Ausnahme der im Blitzstromereignisfall ersten ansprechenden Funkenstrecke durch Impedanzen geschaltet sind, so dass diese sukzessive durchschalten. Die zweite und die weiteren Funkenstrecken sind über die Impedanzen direkt an ein gemeinsames Bezugspotential angeschlossen. Mit der dort vorgestellten Funkenstrecke soll die Ansprechspannung reduziert werden. Hierfür ist an mindestens die Elektroden einer der Teilfunkenstrecken eine Triggerspannung angelegt, mittels derer die Teilfunkenstrecke zum Durchschalten gezwungen wird.
Ähnliche Anordnungen mit mehreren Teilfunkenstrecken sind in der WO 07/003706 und der US 4,860,156 B1 für Anwendungen im Hochspannungsbereich offenbart.
Aus der DE 10 2004 006 988 A1 ist ein Überspannungsschutzelement auf Funkenstreckenbasis mit mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindlichen Hauptelektroden und einer Zündhilfselektrode vorbekannt, wobei im Gehäusevolumen eine Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung untergebracht ist. Diese Funktionsbaugruppe umfasst eine Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elements, einer Impedanz und einer Trennstrecke, so dass eine vereinfachte, quasi integrierte Zündhilfe entsteht. Eine Funkenstreckenanordnung, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 ist auch aus DE-A-2 406 577 bekannt.
Zusammenfassend gehört es zum bekannten Stand der Technik, Funkenstrecken durch Reihenschaltung für den Einsatz bei höheren Bemessungsspannungen zu ertüchtigen. Eine einfache Reihenschaltung führt bei triggerbaren Funkenstrecken neben den erheblichen Kosten zu Einschränkungen hinsichtlich des Schutzpegels sowie der Koordinierbarkeit des Ableiters und erfordert im Regelfall auch eine zusätzliche aufwendige Potentialsteuerung.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Funkenstreckenanordnung für höhere Bemessungsspannungen anzugeben, wobei mindestens zwei, gegenüberliegende Elektroden aufweisende Funkenstrecken in Reihe geschaltet sind und mindestens eine der Funkenstrecken aktiv, d.h. triggerbar ausgeführt ist. Erfindungsgemäß soll hinsichtlich des Ansprechverhaltens und der Koordination ausschließlich die triggerbare, d.h. aktive Funkenstrecke der Gesamtanordnung dominieren. Bei dem Auftreten von Netzfolgeströmen soll die Anordnung wie eine übliche Reihenschaltung von Funkenstrecken wirken. Die Lichtbogenspannung setzt sich aus den Teilspannungen der beiden Funkenstrecken zusammen und es teilt sich auch nach dem Stromnulldurchgang die wiederkehrende Netzspannung auf die Funkenstrecken auf. Damit gilt es aufgabengemäß, zwischen der getriggerten und der passiven Funkenstrecke eine belastungsabhängige Funktionsteilung zu sichern.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Funkenstreckenanordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Bei der erfindungsgemäßen Reihenschaltung werden Funkenstrecken eingesetzt, die sich in einer druckfesten Kapselung befinden und welche mindestens eine Druckausgleichsöffnung aufweisen. Weiterhin ist ein den Abstand der Hauptelektroden der passiven Funkenstrecke überbrückender Einsatz vorgesehen, der aus einem niederohmigen Material besteht. Dieses Material verhält sich bei Strombelastung hinsichtlich der abfallenden Restspannung stark nichtlinear.
Bei einer ersten Ausführungsvariante wird die Reihenschaltung aus zwei körperlich separierten Funkenstrecken gebildet, wobei eine der Funkenstrecken triggerbar und die zweite Funkenstrecke passiv ausgeführt ist. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Funkenstrecken in einem gemeinsamen, druckfesten, bevorzugt metallischen Gehäuse untergebracht.
Die bevorzugt eingesetzten Funkenstrecken sind rotationssymmetrisch ausgeführt. Die jeweiligen gegenüberliegenden Hauptelektroden umfassen eine Hauptelektrode mit Gasumlenkkanal. Bezüglich der Grundkonstruktion der eingesetzten Funkenstrecken sei auf die Lehre nach Patent DE 10 2005 024 658 B4 verwiesen.
Zwischen den sich gegenüberliegenden Hauptelektroden der mindestens einen passiven Funkenstrecke ist der bereits erwähnte überbrückende, niederohmige Einsatz als bevorzugt rotationssymmetrisches Teil mit zylinderförmiger, den Lichtbogenbrennraum begrenzender Öffnung angeordnet. Die der Hauptelektrode mit Gasumlenkkanal gegenüberliegende Hauptelektrode weist einen Nasenabschnitt oder einen Vorsprung auf, welcher in die zylinderförmige Öffnung, mit der Wandung dieser in Kontakt kommend, eintaucht. Es versteht sich, dass der Nasenabschnitt in seiner Außenkontur komplementär zur Gestalt der zylinderförmigen Öffnung auszubilden ist.
Das niederohmige Material des Einsatzes weist bevorzugt einen Kaltwiderstand von < 100 Ohm auf.
Der Einsatz besitzt bei einer Ausführungsvariante eine Hohlzylinderform und liegt mit einer Stirnseite vollflächig an der Hauptelektrode mit Gasumlenkkanal an.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass der bevorzugt hohlzylinderförmige Einsatz mit jeweils einer seiner Stirnseiten jeweils vollflächig in Kontakt mit jeweils einer Hauptelektrode steht.
Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Überschlag zwischen den Hauptelektroden erst nach einer vergleichsweise längeren Zeitdauer oder bei sehr hohen Impulsströmen, was insbesondere dann von Interesse ist, wenn die Restspannung der Funkenstrecke bei einer Vielzahl von impulsförmigen Entladungen oberhalb der Nennspannung liegen soll, um einen Netzfolgestrom zu unterbinden.
Der lichte Abstand zwischen den jeweiligen Hauptelektroden der Funkenstrecken ist wesentlich größer als derjenige, wie er im bekannten Stand der Technik bei entsprechenden Reihenschaltungen zu finden ist, und liegt mindestens bei ca. 5 mm.
Die Druckausgleichsöffnungen sind grundsätzlich in axiale Richtung der rotationssymmetrischen Funkenstrecken orientiert und weisen voneinander weg, um eine unerwünschte Berußung von funktionswichtigen Teilen zu verhindern.
Zwischen dem rotationssymmetrischen Teil mit zylinderförmiger Öffnung und der Hauptelektrode mit Nasenabschnitt kann bei einer weiteren Ausführungsform ein Übergangsteil vorgesehen sein, welches gegenüber dem Einsatz einen höheren Widerstandswert aufweist, jedoch leitfähig ist.
Die geometrische Gestalt des Einsatzes kann in radialer und/oder axialer Richtung zur Einstellung und Variation der Stromdichte Veränderungen unterworfen werden, so dass bei der bevorzugten rotationssymmetrischen Grundkonstruktion und einem gewünschten modulartigen Aufbau durch Austausch des Einsatzes verschiedenartige elektrische Parameter verwirklicht werden können.
Bei einer Anordnung von zwei Funkenstrecken in einem gemeinsamen, druckfesten Gehäuse ist bevorzugt eine gemeinsame Mittel-Hauptelektrode vorgesehen, welche in diesem Fall gegenüber der Mantelkapselung isoliert ist.
Die Druckausgleichsöffnungen sind axial und gegenüberliegend im Bereich der Außenkontaktierung der jeweiligen Hauptelektrode als Kanäle kleinen Querschnitts zum langsamen Druckabbau des bereits abgekühlten Gases ausgeführt. Auch bezogen auf die Ausbildung der Druckausgleichskanäle und der mäanderförmigen Umlenkung der Gasströmung sei auf die Patentanmeldung DE 10 2007 001 093.3 verwiesen.
Die externe Triggerschaltung zum Zünden der aktiven Funkenstrecke ist auf die Triggerelektrode dieser aktiven Funkenstrecke und auf die elektrischen Endanschlusspunkte der Reihenschaltung geführt.
Zusammenfassend gelingt es, mit der vorgestellten Funkenstreckenanordnung Standard-Funkenstrecken in gekapselter, druckfester Ausführung mit Druckausgleichsöffnungen für höhere Nennspannungen durch Reihenschaltung zu ertüchtigen, wobei in einer einfachen Basisvariante nur eine einzige getriggerte Funkenstrecke mit einer einzigen passiven Funkenstrecke in Reihe verschaltet wird. Bei der Erfindungslehre wird die notwendige Folgestrombegrenzung durch die Erhöhung der Lichtbogenfeldstärke infolge der Druckerhöhung bzw. in Kombination mit der Lichtbogenkühlung durch Beströmen des Lichtbogens innerhalb von gekapselten Funkenstrecken erreicht. Dabei betragen die Abstände der Hauptelektroden mindestens 5 mm. Das niederohmige Material des Einsatzes befindet sich innerhalb der passiven Funkenstrecke unmittelbar im Bereich des Lichtbogenkanals und begrenzt radial vollständig oder teilweise den wandstabilisierten Lichtbogen.
Das Material, das den Abstand zwischen den Hauptelektroden der passiven Funkenstrecke überbrückt, weist einen Kaltwiderstand von weniger als 100 Ohm auf und verhält sich bei Strombelastung hinsichtlich der abfallenden Restspannung stark linear, d.h. die Spannung fällt trotz weiter steigendem Strom ab. Das eingesetzte Material kann kurzzeitig impulsförmige Ströme von mehreren kA ohne nachhaltige Schädigung bis zum Überschlagen führen. Die dabei entstehende Restspannung liegt deutlich unter 2 kV. Die Höhe und die Dauer der Restspannung kann zudem über die Beeinflussung der Stromdichteverteilung im Material selbst, durch die geometrische Gestaltung des Einsatzes bzw. aber auch durch eine funktionale Unterteilung aus mehreren Materialien eingestellt bzw. beeinflusst werden.
Die erfindungsgemäße passive Funkenstrecke beeinflusst nicht das Ansprech-, Koordinations- und Restspannungsverhalten der gesamten Reihenschaltung. Durch die Unterteilung in Teilfunkenstrecken sinkt die thermische und dynamische Belastung jeder Einzelfunkenstrecke und es ergeben sich vielfältige konstruktive Gestaltungsmöglichkeiten. Das Leistungsvermögen des sich aus der Reihenschaltung ergebenden Blitzstromableiters ist hinsichtlich der Folgestrombegrenzung, des Blitzstromtragvermögens und der Alterung verbessert. Gegenüber einer Reihenschaltung von zwei triggerbaren Ableitern ergibt sich der Vorteil, dass sowohl Raum als auch Kosten für die zweite bzw. mehrere Zündeinheiten eingespart werden können. Bei einer üblichen Reihenschaltung von triggerbaren Funkenstrecken muss nämlich entweder eine zeitgleiche Zündung erfolgen, was hohe Anforderungen an die Funkenstrecken, die Triggerschaltung und die Potentialsteuerung stellt, oder es muss die Triggerschaltung die Zündverzugszeiten der einzelnen Funkenstrecken ausgleichen können, da üblicherweise Triggerschaltungen nur einen zeitlich und energetisch begrenzten Zündimpuls liefern. Durch den Einsatz einer oder mehrerer passiver Funkenstrecken in der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Reihenschaltung können die Kosten für zusätzliche Zündschaltungen eingespart werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1: eine Reihenschaltung einer getriggerten Funkenstrecke und einer passiven, ungetriggerten Funkenstrecke als diskrete Elemente in jeweils druckfester Kapselung;
Fig. 2: eine beispielhafte Geometrie einer passiven Funkenstrecke, wie sie für die Reihenschaltung gemäß der Erfindung zur Anwendung kommt;
Fig. 3: eine weitere Ausführungsform einer Geometrie einer passiven Funkenstrecke, wie sie erfindungsgemäß bei der Reihenschaltung zur Anwendung kommt;
Fig. 4: eine besonders bauraumsparende Anordnung einer getriggerten und einer passiven Funkenstrecke in einer gemeinsamen, metallischen druckfesten Kapselung mit gegenüberliegenden Druckausgleichsöffnungen in Form von Kanälen kleinen Querschnitts; und
Fig. 5: beispielhafte Ausführungsformen des Einsatz- oder Distanzstücks.

Die Fig. 1 zeigt eine Reihenschaltung (Schnittdarstellung) einer getriggerten Funkenstrecke 1 (aktive Funkenstrecke) und einer ungetriggerten (passiven) Funkenstrecke 2.
Die Triggerschaltung 3 der aktiven Funkenstrecke 1 weist einen Anschluss 4 auf, der mit einem Anschluss 5 einer Hauptelektrode 8 der passiven Funkenstrecke 2 in Verbindung steht. Ein weiterer Anschluss der Triggerschaltung 3 führt zur Hauptelektrode 8 der aktiven Funkenstrecke 1, die auch den Triggerkontakt durch eine Isolation 20, herausgeführt aus der druckfesten metallischen Kapselung 21 besitzt.
Druckausgleichsöffnungen 6 der Funkenstrecken 1 und 2 und die Gasströmungsrichtung 7 (Pfeildarstellung) innerhalb der Funkenstrecken 1 und 2 sind entgegengesetzt orientiert.
Beide Funkenstrecken 1 und 2 besitzen jeweils mehrere unabhängige Entlüftungsöffnungen 6 zur besseren Steuerung der Strömung und zur effektiven Abkühlung der beim Zünden und Brennen des Lichtbogens entstehenden Gase. Jeweils eine der Hauptelektroden 8 besitzt eine Öffnung 22, die einen Teil eines Gasumlenkkanals bildet, der in die Druckausgleichsöffnungen 6 übergeht.
Die triggerbare Funkenstrecke 1 besitzt zwei Hauptelektroden, nämlich die Hauptelektrode 8 und 9, sowie eine Hilfselektrode 10, die mit dem Triggerkontakt 20 in elektrischer Verbindung steht.
Weiterhin weist die Funkenstrecke 1 mindestens eine Isolationsstrecke 12 auf, die sich zwischen den Hauptelektroden 8 und 9 dieser Funkenstrecke befindet.
Auch die passive Funkenstrecke 2 weist zwei Hauptelektroden 8 und 9 auf. Ein als Distanzstück 13 ausgebildeter Einsatz zwischen den Hauptelektroden 8 und 9 der passiven Funkenstrecke ist bevorzugt einstückig aus einem sehr niederohmigen Material gefertigt. Bei einer bevorzugten Geometrie von da = 15 mm, di = 5 mm und h = 5 mm ergibt sich bei einem Prüfstrom von wenigen mA ein Kaltwiderstand von < 100 Ohm.
Das Distanzstück 13 ist bevorzugt als Hohlzylinder ausgeführt und liegt gemäß der Darstellung nach Fig. 1 mit einer seiner Stirnseiten vollflächig auf der Hauptelektrode 8 auf. In den Innenraum des Einsatzes 13 , d.h. der dort vorhandenen zylindrischen Öffnung, ragt ein Nasenabschnitt 23 der Hauptelektrode 9 hinein, wodurch sich ein radialer Kontakt mit dem Einsatz bzw. dem Distanzstück 13 ergibt.
Das Distanzstück 13 ist zur Vermeidung von Überschlägen im Kontaktierungsbereich zwischen dem Nasenabschnitt 23 der Hauptelektrode 9 und der tellerförmigen Elektrodenhalterung 14 gegen diese über das Teil 15 isoliert.
Die Eintauchtiefe des Nasenabschnitts 23 der Elektrode 9 in das Distanzstück 13 steigt mit der gewünschten Höhe der Leistungsfähigkeit des Ableiters und sinkt bei steigender Abbrandfestigkeit des Elektrodenmaterials. Die Eintauchtiefe ist hierbei so bemessen, dass sowohl der axiale Abbrand der Nasenelektrode 9 als auch der radiale Abbrand des Distanzstücks 13 nicht zu einer isolierenden Trennstrecke zwischen den Teilen 13 und 9 führt.
Nach dem Ansprechen der Funkenstrecke 1 bei Impulsbelastung fließt ein Strom bis zu mehreren kA über das Distanzstück 13, bis der Weg zwischen den Elektroden 8 und 9 der passiven Funkenstrecke 2 überschlagen wird. Infolge des nichtlinearen Verhaltens des Materials des Distanzstücks 13 wird nur eine geringe Restspannung über dem Material des Distanzstücks 13 erzeugt, welche den Schutzpegel des gesamten Ableiters nicht erhöht.
Aufgrund von Fertigungs- und Materialtoleranzen, Verschmutzungen oder extremer Belastung können jedoch Kontaktprobleme oder ein verändertes Überschlagsverhalten des Distanzstücks 13 auftreten, wodurch sich unerwünschte Rückwirkungen auf die Restspannung des Ableiters ergeben können. Dies kann bei hohen Anforderungen an die Höhe und Dauer der Restspannung des Ableiters durch einen in der Triggerschaltung 3 integrierten Überspannungsfeinschutz und durch die Art der Kontaktierung, welche die passive Funkenstrecke umfasst, ausgeglichen werden.
Bei reproduzierbaren Fertigungs- und Materialeigenschaften bzw. nicht besonders hohen Beanspruchungen und/oder geringeren Anforderungen an die Schutzpegel kann die Kontaktierung der Triggereinrichtung auch zwischen den beiden Funkenstrecken, also nur an den Anschlüssen der Funkenstrecke 1, erfolgen.
Die Höhe und die Dauer des Stroms durch das Distanzstück 13 sowie das Überschlagsverhalten können neben den Materialeigenschaften dieses Teils auch durch die Steuerung der Stromdichte und die Stromverteilung im Distanzstück 13 beeinflusst werden. Dies kann neben der Beeinflussung der Restspannung auch zur Steuerung des Leistungsumsatzes, des Abbrands und der thermischen Belastung der Funkenstrecke und insbesondere des Einsatzstücks 13 genutzt werden. Die Hauptelektroden 8 und 9 der passiven Funkenstrecke 2 können gegenüber dem Distanzstück 13 vollständig oder teilweise isoliert werden. Die partielle Isolation dient der Steuerung des Stromübergangsbereichs, um die Stromdichteverteilung und die Überschlagsgeschwindigkeit zu beeinflussen. Die vollständige Isolation der Elektroden 8 und 9 gegenüber dem Distanzstück 13 dient demselben Ziel, d.h. der Konzentration der Stromdichte im bevorzugten Überschlagsbereich, insbesondere im Innenrohr des Distanzstücks.
Zusätzlich wird beim Überschlagen der Isolationsstrecke eine Funkenerzeugung realisiert, welche eine Ionisation bewirkt, wodurch der Überschlag gefördert wird. Die Isolation ist jedoch so ausgeführt, dass die Überschlagsspannung die Ansprechspannung und Restspannung der Funkenstrecke nicht beeinflusst. Des weiteren ist die Überschlagsspannung so gering, dass bei anliegender Netzspannung die passive Funkenstrecke ohne Reihenschaltung mit der triggerbaren Funkenstrecke stets ansprechen würde. Damit ist diese quasi durchgesteuert und permanent mit Strom belastet bis zum Abbrand. Hieraus ergibt sich, dass nach dem Zünden der triggerbaren Funkenstrecke die passive Funkenstrecke selbst nur bei Netzspannung Strom führt. Die Isolation ist damit quasi nicht vorhanden und es zündet die passive Funkenstrecke mit isolierten Elektroden ebenso infolge des sofortigen Stromflusses wie ohne Isolation. Die Funktion ist damit identisch. Nur die Stromdichteverteilung und die Ionisation führen zu einem raschen Zünden der Hauptstrecke der passiven Funkenstrecke.
Die Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Geometrie als Querschnittsdarstellung für eine passive Funkenstrecke. Auch hier sind zwei gegenüberliegende Hauptelektroden 8 und 9 vorhanden. Die Elektroden sind isoliert in einer metallischen Kapselung 21 befindlich.
Die gezeigten Hauptelektroden 8 und 9 können gegenüber dem Einsatzstück 13 auch isoliert werden, wobei die Überschlagspannung der Isolation jedoch deutlich unterhalb des gewünschten Schutzpegels und auch unterhalb der Restspannung der Triggerschaltung liegen muss.
Alternativ zu einer Isolation ist ein definierter Übergangsbereich mit einer dünnen und gegenüber dem Distanzstück 13 hochohmigeren, jedoch elektrisch leitenden Schicht 16 möglich. Beide geschilderten Maßnahmen bedingen eine höhere Stromdichte an der quasi Kanalinnenseite des als Hohlzylinder ausgeführten Distanzstücks 13 und führen zu einem beschleunigten Überschlagsverhalten. Zusätzlich wird eine Vorionisation im isolierten bzw. hochohmigeren Bereich bewirkt.
Das Distanzstück 13 kann zudem im Umfang des Hohlzylinders sowohl in radialer als auch in axialer Richtung hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit variiert werden. Hierdurch können neben der Steuerung der elektrischen Stromdichte im Distanzstück 13 auch Effekte einer thermischen Isolation gegenüber den Elektroden 8 und 9 bewirkt werden. Darüber hinaus kann die Variation der Materialien im Entladungskanal der Funktionsteilung dienen bzw. zur Beeinflussung der Temperatur- und Druckfestigkeit sowie der besseren Alterungsqualität und zur Reduzierung des Abbrands genutzt werden.
Die Fig. 2 zeigt hier beispielsweise eine im Wesentlichen nur axiale Funktionsaufteilung. Im Gegensatz zur Darstellung nach Fig. 1 sind gemäß Fig. 2 die beiden Elektroden 8 und 9 (in Fig. 1 nur 9) hinsichtlich der metallischen Kapselung 21 isoliert.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer möglichen Geometrie in Querschnittsdarstellung für die passive Funkenstrecke 2.
Bei dieser Funkenstrecke 2 soll ein Überschlag zwischen den Hauptelektroden 8 und 9 erst bei einer vergleichsweise langen Zeitdauer oder sehr hohen Impulsströmen erfolgen.
Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Restspannung der Funkenstrecke 2 bei einer Vielzahl von impulsförmigen Entladungen oberhalb der Nennspannung liegen soll, um einen Netzfolgestrom zu unterbinden.
Zu diesem Zweck wird das Distanzstück 13 an beiden Stirnseiten vollflächig mit den jeweiligen Hauptelektroden 8 und 9 kontaktiert, um eine weitestgehend homogene Stromdichte innerhalb des Distanzstücks 13 zu bewirken. Zusätzlich können Erhöhungen der elektrischen Feldstärke, insbesondere im Überschlagsbereich vermieden werden.
Mit Hilfe der Fig. 4 sei eine prinzipielle Ausführungsform von zwei Funkenstrecken in Querschnittsdarstellung illustriert, die sich innerhalb einer gemeinsamen metallischen Kapselung 21 befinden.
Beide Funkenstrecken besitzen eine gemeinsame Mittelelektrode 9, welche gegenüber der druckfesten Kapselung 21 isoliert ist. Im Bereich der passiven Funkenstrecke 2 ist jedoch eine niederohmige Verbindung zwischen der Mittelelektrode 9 zur dortigen Hauptelektrode 8 vorhanden. Im Gegensatz zur Darstellung nach Fig. 1, bei welcher bei beiden Funkenstrecken 1 und 2 jeweils die Hauptelektrode 8 unmittelbar mit dem metallischen Mantel 21 in Kontakt steht, werden mindestens bei einer der Funkenstrecken 1 und 2 gemäß Darstellung nach Fig. 4 beide Hauptelektroden gegenüber dem Mantel bzw. der Kapselung 21 isoliert.
Gemäß der Darstellung nach Fig. 4 ist dies bei der passiven Funkenstrecke 2 der Fall. Alternativ können auch die Funkenstrecke 1 oder aber auch beide Funkenstrecken mit gegenüber der metallischen Kapselung 21 isolierenden Hauptelektroden 8 und 9 ausgeführt werden. Die Isolation der Hauptelektroden 8 und 9 wird gegenüber einer isolierenden Unterbrechung des druckfesten metallischen Mantels 21 aufgrund eines besseren Überlastverhaltens bevorzugt. Die Funkenstrecken entsprechend Fig. 4 besitzen ebenso wie in Fig. 1 dargestellt, entgegengesetzte Entlüftungs- und Druckausgleichsöffnungen oder Kanäle 6.
Die Hauptelektroden weisen bei beiden Funkenstrecke 1 und 2 jeweils mindestens einen Abstand von im Wesentlichen 5 mm auf. Der Druck im Entladungsbereich, welcher vom Einsatz 13 vollständig oder teilweise umschlossen wird, beträgt bei Impuls- und Folgestromentladungen bis zu mehreren 100 bar. Bei prospektiven Netzfolgeströmen im Bereich von > 500 A bis zu mehreren kA werden Drücke von mindestens 10 bar erreicht.
Zur Steuerung der Ansprechspannung und zur Zündung der Funkenstrecken ist keine aufwendige und überlastungsgefährdete, externe, zusätzliche kapazitive oder ohmsche Spannungssteuerung erforderlich, welche zudem über den gesamten relevanten Frequenzbereich abgestimmt werden müsste. Die gezeigte Reihenschaltung von zwei Funkenstrecken ist grundsätzlich beliebig erweiterbar.
Die Reihenschaltung aus einer Funkenstrecke mit Isolation und einer quasi kurzgeschlossenen Funkenstrecke besitzt gegenüber zwei Funkenstrecken mit jeweils isolierter Trennstrecke an sich den Nachteil, dass nur eine Trennstrecke eine Sofortverfestigung nach dem Stromnulldurchgang bereitstellt. Die Sofortverfestigungsspannung liegt im Bereich von ca. 300 V. Bei dem Einsatz einer solchen Funkenstrecke bei höheren Betriebsspannungen, insbesondere bei Spannungen über der Sofortverfestigungsspannung besteht die Gefahr von Wiederzündungen. Um ungeachtet dieses Nachteils mit nur einer Isolationsstrecke arbeiten zu können, wird der Effekt genutzt, dass die eingesetzten Funkenstrecken die sich ausbildende Druckerhöhung zur Löschung des Folgestroms nutzen. Durch die Verwendung des Drucks zur Löschung des Folgestroms besteht auch nach dem Stromnulldurchgang, insbesondere bei einem allmählichen Druckabbau, die Möglichkeit, den relativ hohen Druck für die Erhöhung der dielektrischen Spannungsfestigkeit der Trennstrecke wirksam werden zu lassen. Die Spannungsfestigkeit nach dem Stromnulldurchgang kann somit proportional mit der Druckerhöhung gesteigert werden, wodurch Wiederzündungen vermeidbar sind. Dies ermöglicht in überraschender Weise den Einsatz der vorgeschlagenen Funkenstreckenkombination auch bei Nennspannungen deutlich oberhalb der Sofortverfestigungsspannung für eine Trennstrecke.
Mit Hilfe der Fig. 5 soll ein beispielhafter Aufbau des Distanzstücks näher erläutert werden.
Das Material des Distanzstücks kann homogen, aber auch inhomogen sein. So kann z.B. eine radial abnehmende Leitfähigkeit (Fig. 5a) realisiert werden. Auch besteht die Möglichkeit, eine segmentierte Leitfähigkeit im Umfang hin bis zu leitfähigen Stegen auszuführen (siehe Fig. 5b und 5c). Der Bereich 1 ist dabei ein hochohmiger Bereich, der Bereich 2 hingegen ist niederohmig ausgeführt. Wenn das Distanzstück 13 homogen ausgeführt wird, kann die Stromdichte durch die elektrisch leitfähige Kontaktfläche und die Positionierung dieser Kontaktfläche bestimmt bzw. eingestellt werden.
Wenn z.B. gemäß Fig. 1 auf der Seite der Zylinderelektrode die Kontakte zwischen dem Distanzstück 13 und dem Teil 8 reduziert werden, z.B. durch einen kleineren Innenradius der Scheibe oder der Isolationsfolie auf dem Teil 8, fließt weniger Strom im Distanzstück 13 bis zum Überschlag, da die Stromdichte im Innenbereich des Teiles 13 ansteigt.
Wenn sich unter Hinweis auf Fig. 1 auf der Seite der Nasenelektrode die Kontaktfläche zwischen den Teilen 12 und 23 nur auf eine begrenzte Höhe und den Kontakt im Umfang beschränkt, erhöht sich die Stromdichte im Innenrohrbereich, d.h. im Entladungsbereich des Distanzstücks 13. Eine geringere Stromdichte wird z.B. bei stirnseitiger Auflage des Teiles 13 am Teller der Elektrodenhalterung 14 erreicht.

Bezugszeichenliste

1: aktive Funkenstrecke
2: passive Funkenstrecke
3: Triggerschaltung
4: Anschluss
5: Anschluss einer Hauptelektrode
6: Druckausgleichsöffnung
7: Gasströmungsrichtung
8; 9: Hauptelektrode
10: Hilfselektrode
12: Isolationsstrecke
13: Einsatz oder Distanzstück
14: tellerförmige Elektrodenhalterung
15: Isolationsteil
16: hochohmigere, elektrisch leitende Schicht
20: Isolation für Triggerkontakt
21: metallische, druckfeste Kapselung
22: Öffnung im Gasumlenkbereich einer Hauptelektrode / Gasumlenkkanal
23: Nasenabschnitt

Claims

Funkenstreckenanordnung für höhere Bemessungsspannungen, wobei mindestens zwei gegenüberliegende Elektroden aufweisende Funkenstrecken in Reihe geschaltet sind und mindestens eine der Funkenstrecken aktiv, d.h. triggerbar ausgeführt ist für den Einsatz als blitzstromtragfähiger Netzableiter,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Funkenstrecken (1; 2) in einer druckfesten Kapselung (21) mit mindestens einer Druckausgleichsöffnung (6) befindlich sind und ein den Abstand der Hauptelektroden (8; 9) der passiven Funkenstrecke (2) überbrückender Einsatz (13) aus einem niederohmigen Material besteht, welches sich bei Strombelastung hinsichtlich der abfallenden Restspannung stark nichtlinear verhält.
Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Funkenstrecken (1; 2) jeweils einzeln, von einer druckfesten Kapselung (21) umgeben sind, wobei die Druckausgleichsöffnungen (6) voneinander weg weisend orientiert sind.
Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Funkenstrecken (1; 2) von einem gemeinsamen, druckfesten Gehäuse (21) umgeben sind, welches die Druckausgleichsöffnungen (6) aufweist.
Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Funkenstrecken (1; 2) rotationssymmetrisch ausgeführt sind und sich die jeweiligen Hauptelektroden (8; 9) gegenüberliegen und jeweils eine der Hauptelektroden (8) einen Gasumlenkkanal (22) aufweist, weiterhin zwischen den sich gegenüberliegenden Hauptelektroden (8; 9) der mindestens einen passiven Funkenstrecke (2) der überbrückende niederohmige Einsatz (13) als rotationssymmetrisches Teil mit zylinderförmiger, den Lichtbogenbrennraum begrenzender Öffnung angeordnet ist, wobei die der Hauptelektrode mit Gasumlenkkanal (22) gegenüberliegende Hauptelektrode (9) einen Nasenabschnitt (23) aufweist, welcher in die zylinderförmige Öffnung, mit der Wandung dieser in Kontakt kommend, eintaucht.
Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das niederohmige Material des Einsatzes einen Kaltwiderstandswert von <100 Ohm besitzt.
Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Einsatz (13) eine bevorzugte Hohlzylinderform aufweist und mit einer Stirnseite vollflächig an der Hauptelektrode mit Gasumlenkkanal (22) anliegt.
Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der bevorzugt hohlzylinderförmige Einsatz (13) mit jeweils einer seiner Stirnseiten vollflächig in Kontakt mit jeweils einer Hauptelektrode (8; 9) steht.
Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der lichte Abstand zwischen den jeweiligen Hauptelektroden (8; 9) der Funkenstrecken im Bereich von mindestens 5 mm liegt.
Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckausgleichsöffnungen (6) in axialer Richtung der rotationssymmetrischen Funkenstrecken orientiert sind.
Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem rotationssymmetrischen Teil mit zylinderförmiger Öffnung und der Hauptelektrode mit Nasenabschnitt (23) ein Übergangsteil (16) vorgesehen ist, welches gegenüber dem Einsatz (13) einen höheren Widerstandswert aufweist und leitfähig ist.
Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Einsatz (13) in radialer und/oder axialer Richtung in seiner geometrischen Gestalt zur Einstellung der Stromdichte variierbar ist.
Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer Anordnung von zwei Funkenstrecken in einer gemeinsamen druckfesten Kapselung (21) eine gemeinsame Mittel-Hauptelektrode (9) vorgesehen ist, welche eine Isolation gegenüber der Mantelkapselung (21) aufweist.
Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckausgleichsöffnungen (6) axial und gegenüberliegend im Bereich der Außenkontaktierung der jeweiligen Hauptelektroden als Kanäle kleinen Querschnitts zum langsamen Druckabbau des bereits abgekühlten Gases ausgeführt sind.
Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die externe Triggerschaltung (3) auf die Triggerelektrode (10) der aktiven Funkenstrecke (1) und auf die elektrischen Endanschlusspunkte der Reihenschaltung führt.