Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke, insbesondere für die Begrenzung von Überspannungen in Niederspan nungsanlagen und die blitzschutzmässige Koppelung galva nisch getrennter Kreise, bestehend aus mindestens zwei sich gegenüberliegenden, scheibenförmigen Elektroden, die durch eine Isolationsschicht voneinander im Abstand gehal ten sind und zwischen sich die Überschlagsstelle bilden.
Dabei werden unter dem Begriff der Niederspannungsanla gen solche Anlagen verstanden, bei denen Betriebsspannun gen bis etwa 1000 V auftreten.
Funkenstrecken der vorgenannten Gattung sind bisher so ausgeführt worden, dass sich die beiden Elektroden mit ihren Oberflächen gegenüberliegen und durch eine am
Rand der Elektroden und zwischen ihnen umlaufende Isola tionsschicht voneinander isoliert und zugleich im gewünsch ten Überschlagsabstand distanziert waren. Damit wurde eine nach aussen abgeschlossene Kammer gebildet, die von den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen der Elektro den und der Isolationsschicht begrenzt war. Beim Auftreten einer Überspannung erfolgte der Überschlag innerhalb die.
ser Kammer zwischen den sich gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen. Dies ergab zwar den Vorteil eines im we sentlichen homogenen Feldes, wodurch das Ansprechverhal ten der Funkenstrecke weitgehend von der Form der Überspannung unabhängig war. Dabei bestand aber der Nachteil, dass der Lichtbogen in dieser abgeschlossenen Kammer sehr grosse Energien von mehreren kJ (kilojoule) entwikkelte. Dabei können Temperaturen in der Grössenordnung von 10 000 "C und Drücke bis zu 100 bar entstehen. Ein derartiger Lichtbogen hat eine Explosionswirkung und drückt die Elektroden auseinander. Diese starken mechanischen Kräfte müssen durch eine entsprechend stabile Konstruktion der Funkenstrecke aufgefangen werden. Die erläuterte Hitzeentwicklung bewirkt, dass Elektrodenmaterial abschmilzt und verspritzt wird.
Dies kann unter Umständen ein Verschweissen der Funkenstrecke und eine Zerstörung oder Beschädigung der Isolationsschicht zur Folge haben. Hierdurch kann sich zunächst eine Veränderung der Ansprechspannung und schliesslich sogar die Funktionsuntauglichkeit der Funkenstrecke ergeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Funkenstrecke der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich zwar durch einen ebenso einfachen Aufbau auszeichnet wie die erläuterten bekannten Funkenstrecken, wobei aber dafür gesorgt sein soll, dass die beim Überschlag entstehenden Energien keine schädlichen Wirkungen auf die Funkenstrecke mehr haben sollen. Zumindest soll die schädliche Wirkung erheblich reduziert werden, so dass die zulässige Stromstärke des Lichtbogens entsprechend höher sein kann als bei den bekannten Funkenstrecken.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss bei einer Funkenstrecke der eingangs umrissenen Gattung vorgesehen, dass sich die Überschlagsstelle zwischen einer Aussenseite der einen, ersten Elektrode und einer ebenfalls aussen gelegenen Gegenfläche der anderen, zweiten Elektrode befindet. Damit ist die Überschlagsstelle nicht mehr in einer geschlossenen Kammer, sondern in dem Bereich zwischen Aussenseite der einen und Gegenfläche der anderen Elektrode vorgesehen. Die beim Überschlag entstehende Energie kann dort wesentlich rascher und besser als bisher abgeführt werden, da sich der Lichtbogen nicht mehr in einer engen, allseitig umgrenzten Kammer befindet. Die erläuterte Explosionsgefahr entfällt. Die jeweilige Überschlagsstelle wird sich in der Regel an einer Kante der Elektrode befinden.
Sofern an dieser Stelle Metall von der Elektrode wegspritzt, hat dies dort eine Verrundung der Kante zur Folge. Dies bedeutet, dass ein weiterer Überschlag nicht mehr an dieser Stelle, sondern dort stattfinden wird, wo die Elektrode noch eine Kante besitzt. Die Überschlagsstellen, bzw. die Fusspunkte der Lichtbogen, wandern also von Uberschlag zu Überschlag, wodurch sich eine gleichmässige Abnutzung der Elektroden ergibt. Für den Fall, dass der Lichtbogen für längere Zeit stehenbleibt, wie es z. B. bei sogenannten Blitzstromschwänzen eintreten kann, weitet sich der Lichtbogen nach aussen auf, wodurch der Lichtbogenfusspunkt von der Ansprechstelle weg wandert. Damit wird eine übermässige thermische Belastung der Elektroden und vor allem ein Zerstören der Isolierschicht, z. B. Glimmer, vermieden.
Es muss zwar bei der erfindungsgemässen Funkenstrecke der Nachteil eines inhomogenen Feldes zwischen beiden Elektroden in Kauf genommen werden, dessen Ansprechverhalten damit von der Form der jeweiligen Überspannung abhängig ist. Der Erfindung liegt aber unter anderem die Erkenntnis zu grunde, dass dieser Nachteil von den vorstehend erläuterten Vorteilen mehr als aufgewogen wird: insbesondere wenn man berücksichtigt, dass die erfindungsgemässe Funkenstrecke wesentlich höhere Kurzschlussströme, z. B. bis 100 kA, bewältigen kann.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der dazugehörigen Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1: Im Querschnitt eine Funkenstrecke gemäss dem Stand der Technik im Schnitt,
Fig. 2 und 3: zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung.
ebenfalls im Querschnitt,
Fig. 4: eine Draufsicht auf Fig. 3,
Fig. 5: in der Draufsicht eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung im verkleinerten Massstab,
Fig. 6: den Einbau einer Funkenstrecke in der Ausführung gemäss Fig. 3 in ein entsprechendes Gerät.
Fig. 1 zeigt die erläuterte, bisher gebräuchliche Funkenstrecke, bestehend aus zwei scheibenförmigen Elektroden 1, 2, die durch eine umlaufende Glimmerschicht 3 voneinander isoliert und distanziert sind. Damit ist eine abgeschlossene Kammer 4 gebildet, innerhalb derer bei Auftreten einer Überspannung der Lichtbogen entsteht.
Gemäss dem in Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zwei scheibenförmige Elektroden 5, 6 vorgesehen, zwischen denen sich die Isolationsschicht 7, z. B. Glimmer, befindet. Die Elektroden bestehen in diesem Beispiel aus planen Scheiben. Ihr Umriss kann kreisförmig sein (siehe auch Fig. 4). Die Neuerung ist aber nicht auf plane Elektroden oder solche mit kreisförmigem Umriss beschränkt.
Die Überschlagsstelle befindet sich zwischen der Aussenseite, hier dem Aussenrand 8 der einen, ersten Elektrode 5 und einer Aussenfläche, hier der dem Rand 8 gegenüberliegenden Oberfläche 9 der anderen, zweiten Elektrode 6. Gemäss diesem Ausführungsbeispiel wird der Rand 8 von der rew lativ kurzen zylindrischen Randfläche der Elektrodenscheibe 5 und die Oberfläche 9 von der Stirnfläche der zweiten Elektrodenscheibe 6 gebildet. Der im Fall einer Überspannung entstehende Lichtbogen 10 befindet sich damit im Aussenbereich der Funkenstrecke, wodurch sich die erläuterten Vorteile ergeben.
Die Isolierschicht 7 kann entweder an der Oberfläche 11 der ersten Elektrode 5, oder an der Oberfläche der zweiten Elektrode 6 angebracht sein. In jedem Fall ist bei der Anordnung dieses Ausführungsbeispieles der Aussendurchmesser der Isolierschicht gleich dem Aussendurchmesser der ersten Elektrode.
Gemäss dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 kann die zweite Elektrode 6' an ihrer Oberfläche 9' eine Aussparung 12 aufweisen, deren Umriss dem der ersten Elektrode 5', bzw. der Isolierschicht 7' entspricht. Damit ist an der zweiten Elektrode eine Zentrierung für die erste Elektrode ge schaffen. Die Isolierschicht 7' muss dabei um so viel dicker als die Tiefe der Aussparung 12 sein, dass ein genügender Iso lationsabstand zwischen den beiden Elektrodenscheiben 5', 6' verbleibt.
Das Beispiel der Fig. 3 zeigt ferner, dass sich in der zweiten Elektrode 6' eine Durchbrechung 13, z. B. in Form einer Bohrung befinden kann, die dem Mittenbereich der ersten Elektrode 5' gegenüberliegt. Der Mittenbereich der ersten Elektrode kann eine Bohrung oder dergleichen 14 für die Aufnahme eines Anschlussleiters 15 besitzen, der mit hinreichendem Isolationsabstand von der Elektrode 6' durch deren Durchbrechung 13 hindurchgeführt ist. Damit besteht die Möglichkeit, die erste Elektrode sowohl durch die zweite Elektrode hindurch, als auch an der in Fig. 3 oben gelegenen Seite anzuschliessen.
In Fig. 3 ist schematisch die Feldverteilung zwischen den beiden Elektroden angedeutet. Mit Pfeilen ist die Tendenz des Lichtbogens markiert, bei starken Strömen nach aussen zu wandern, d. h. in den Bereich, in dem er am raschesten seine Wärme abgeben kann. Sofern bei einem Überschlag an der Kante 16 Material wegschmilzt, bildet sich an dieser Stelle eine Abrundung. Bei einem erneuten Überschlag wird daher der Lichtbogen nicht dort, sondern von einem Punkt der ersten Elektrode 5' aus übertreten, der noch eine Kante bildet. Damit ergibt sich das erläuterte Wandern des Lichtbogenfusspunktes und die gleichmässige Abnutzung der Elektroden.
Die Elektrode 6 bzw. 6' hat die Funktion einer Grundplatte. Sie könnte gemäss dem Beispiel der Fig. 5 auch als Grundplatte 6" für mehrere, z. B. drei der ersten Elektroden 5' ausgebildet sein. Dadurch ist mit einem einzigen Bauelement eine dreiphasige Funkenstrecke geschaffen.
Fig. 6 zeigt den Einbau der erfindungsgemässen Funkenstrecke in ein als Überspannungsbegrenzer wirkendes Überspannungsschutzgerät. Die Funkenstrecke mit den Elektrodenscheiben 5', 6' entspricht in etwa der Ausführungsform gemäss Fig. 3. Das Gehäuse 17 dieses Überspannungsbegrenzers ist mit Anschlussklemmen 18, 19 für die Leitungsenden des zu schützenden Leitungszuges versehen. Der Anschluss 18 führt zu einer Schraubfassung 20, in die eine Sicherungspa trone 21 mit einer Schraubkappe 22 einschraubbar ist. Der Strom wird von der Sicherungspatrone über eine Kontaktplatte 23 an die Funkenstrecke weitergeleitet. Mit Ziffer 24 ist ein Keramikring bezeichnet, der zur Distanzierung und Isolierung der Kontaktplatte 23 von der Elektrodenscheibe 6' dient. Dieser Keramikring könnte aber auch in Fortfall kommen.
Zur Sicherung eines einwandfreien Kontaktes kann eine Kontaktfeder 25 vorgesehen sein, die einen mit dem Kontakt 19 verbundenen Erdanschlussbügel 26 von unten gegen die Elektrodenscheibe 6' drückt.
The invention relates to a spark gap, in particular for limiting overvoltages in low voltage systems and the lightning protection coupling of galvanically separated circles, consisting of at least two opposing, disc-shaped electrodes that are kept apart by an insulating layer and form the rollover point between them .
The term “Niederspannungsanla” refers to those systems in which operating voltages up to about 1000 V occur.
Spark gaps of the aforementioned type have so far been designed in such a way that the surfaces of the two electrodes are opposite one another and are connected by an am
The edge of the electrodes and the insulation layer running between them were isolated from one another and at the same time spaced at the desired rollover distance. This formed a closed chamber that was delimited by the two opposing surfaces of the electrodes and the insulation layer. When an overvoltage occurred, the flashover occurred within the.
this chamber between the opposing electrode surfaces. Although this gave the advantage of an essentially homogeneous field, which means that the response behavior of the spark gap was largely independent of the shape of the overvoltage. However, there was the disadvantage that the arc in this closed chamber developed very high energies of several kJ (kilojoules). Temperatures of the order of magnitude of 10,000 "C and pressures of up to 100 bar can arise. Such an arc has an explosive effect and pushes the electrodes apart. These strong mechanical forces must be absorbed by a correspondingly stable construction of the spark gap that the electrode material melts and is splashed.
Under certain circumstances, this can result in welding of the spark gap and destruction or damage to the insulation layer. This can initially result in a change in the response voltage and ultimately even in the functional unsuitability of the spark gap.
The invention is based on the object of creating a spark gap of the type mentioned at the outset, which is characterized by a construction that is just as simple as the known spark gaps explained, but it should be ensured that the energies generated during flashover do not have any harmful effects on the spark gap should have more. At least the harmful effect should be considerably reduced, so that the permissible current strength of the arc can be correspondingly higher than with the known spark gaps.
To achieve this object, the invention provides for a spark gap of the type outlined at the outset that the flashover point is located between an outside of the one, first electrode and a likewise outside opposing surface of the other, second electrode. The rollover point is thus no longer provided in a closed chamber, but in the area between the outside of one and the opposite surface of the other electrode. The energy generated by the flashover can be dissipated there much faster and better than before, since the arc is no longer located in a narrow chamber that is delimited on all sides. The explained risk of explosion does not apply. The respective rollover point will usually be on one edge of the electrode.
If metal splashes away from the electrode at this point, this results in the edge being rounded. This means that another flashover will no longer take place at this point but where the electrode still has an edge. The flashover points, or the base points of the arcs, therefore move from flashover to flashover, which results in even wear of the electrodes. In the event that the arc stops for a long time, as is the case, for. B. can occur with so-called lightning current tails, the arc expands outwards, whereby the arc root moves away from the response point. This will cause excessive thermal stress on the electrodes and, above all, destruction of the insulating layer, e.g. B. mica, avoided.
In the case of the spark gap according to the invention, the disadvantage of an inhomogeneous field between the two electrodes must be accepted, the response behavior of which is therefore dependent on the form of the respective overvoltage. The invention is based, inter alia, on the finding that this disadvantage is more than outweighed by the advantages explained above: in particular when one takes into account that the spark gap according to the invention has significantly higher short-circuit currents, e.g. B. up to 100 kA, can handle.
The invention is explained with reference to the following description and the associated drawing of several exemplary embodiments. In the drawing show:
Fig. 1: In cross section, a spark gap according to the prior art in section,
2 and 3: two exemplary embodiments of the invention.
also in cross section,
FIG. 4: a top view of FIG. 3,
5: a plan view of a further embodiment of the invention on a reduced scale,
6: the installation of a spark gap in the embodiment according to FIG. 3 in a corresponding device.
1 shows the previously-used spark gap explained, consisting of two disk-shaped electrodes 1, 2, which are isolated from one another and spaced apart by a circumferential mica layer 3. A closed chamber 4 is thus formed, within which the arc occurs when an overvoltage occurs.
According to the first exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 2, two disk-shaped electrodes 5, 6 are provided, between which the insulation layer 7, e.g. B. mica is located. In this example, the electrodes consist of flat discs. Their outline can be circular (see also FIG. 4). However, the innovation is not limited to planar electrodes or those with a circular outline.
The rollover point is located between the outside, here the outer edge 8 of one, first electrode 5 and an outer surface, here the surface 9 of the other, second electrode 6 opposite the edge 8. According to this embodiment, the edge 8 is of the relatively short cylindrical Edge surface of the electrode disk 5 and the surface 9 formed by the end face of the second electrode disk 6. The arc 10 that occurs in the event of an overvoltage is therefore located in the outer area of the spark gap, which results in the advantages explained.
The insulating layer 7 can be applied either to the surface 11 of the first electrode 5 or to the surface of the second electrode 6. In any case, in the arrangement of this exemplary embodiment, the outside diameter of the insulating layer is equal to the outside diameter of the first electrode.
According to the exemplary embodiment in FIG. 3, the second electrode 6 'can have a recess 12 on its surface 9', the outline of which corresponds to that of the first electrode 5 'or the insulating layer 7'. This creates a centering for the first electrode on the second electrode. The insulating layer 7 'must be so much thicker than the depth of the recess 12 that a sufficient insulation distance remains between the two electrode disks 5', 6 '.
The example in FIG. 3 also shows that there is an opening 13 in the second electrode 6 ′, e.g. B. can be in the form of a bore which is opposite the central region of the first electrode 5 '. The central region of the first electrode can have a bore or the like 14 for receiving a connection conductor 15, which is passed through its opening 13 with a sufficient insulation distance from the electrode 6 ′. This makes it possible to connect the first electrode both through the second electrode and also to the side located at the top in FIG. 3.
The field distribution between the two electrodes is indicated schematically in FIG. 3. The tendency of the arc to migrate outwards in the case of strong currents is marked with arrows. H. to the area where it can give off its heat most quickly. If material melts away in the event of a rollover at the edge 16, a rounding is formed at this point. In the event of a renewed flashover, the arc is therefore not crossed there, but from a point on the first electrode 5 'which still forms an edge. This results in the explained migration of the arc root point and the even wear of the electrodes.
The electrode 6 or 6 'has the function of a base plate. According to the example in FIG. 5, it could also be designed as a base plate 6 ″ for several, for example three, of the first electrodes 5 ′. This creates a three-phase spark gap with a single component.
6 shows the installation of the spark gap according to the invention in an overvoltage protection device acting as an overvoltage limiter. The spark gap with the electrode disks 5 ', 6' corresponds roughly to the embodiment according to FIG. 3. The housing 17 of this overvoltage limiter is provided with connection terminals 18, 19 for the line ends of the line to be protected. The connection 18 leads to a screw socket 20 into which a fuse cartridge 21 with a screw cap 22 can be screwed. The current is passed on from the fuse cartridge via a contact plate 23 to the spark gap. Numeral 24 designates a ceramic ring which serves to separate and isolate the contact plate 23 from the electrode disk 6 '. This ceramic ring could also be omitted.
To ensure perfect contact, a contact spring 25 can be provided which presses an earth connection bracket 26 connected to the contact 19 from below against the electrode disk 6 '.