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Die Erfindung betrifft eine Funkenstreckenanordnung, bestehend
aus zwei im wesentlichen gegenüberliegenden Hauptelektroden
sowie mindestens einer Hilfs- oder Zündelektrode und zwischen
den Elektroden befindlichen isolierenden Abschnitten, wobei die
Elektroden ein kammerartiges Volumen einschließen, gemäß
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Funkenstrecken, vorwiegend bestimmt zum Einsatz als
Trennfunkenstrecke zur galvanischen Trennung von Systemteilen, die
im Falle einer Überspannung z. B. aufgrund eines
Blitzereignisses eine leitende Verbindung zwischen den betriebsmäßig
üblicherweise getrennten Systemteilen herstellen können,
gehören in unterschiedlichen Ausführungsformen zum Stand der
Technik.
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Aufgrund der außerordentlich vielfältigen Anwendungen werden
ganz unterschiedliche elektrische und mechanische Anforderungen
an die jeweiligen Funkenstrecken gestellt. Die elektrischen
Anforderungen, die je nach Einsatzbereich variieren, sind z. B.
unterschiedliche Ansprechspannungen der Funkenstrecke bei
transienten Überspannungen, eine unterschiedliche
Belastungsfähigkeit mit blitzbedingten Stoßströmen sowie ein zu
variierendes Ansprechverhalten der Funkenstrecke bei netzfrequenten
Überspannungen. Auch muß das elektrische Verhalten der
Funkenstrecke bei betriebsmäßig oder im Störfall zu erwartenden
Gleich- oder Wechselspannungen, z. B. in Bahn- oder
Korrosionsschutzanlagen, angepaßt sein.
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Bei den mechanischen Anforderungen sind beispielsweise
unterschiedliche Anschlußtechniken wie Schraubbolzen oder Klemmen zu
berücksichtigen oder es werden je nach IP-Schutzgrad oder
gefordertem Explosionsschutz offene oder geschlossene
Funkenstreckenausführungen, d. h. ausblasende oder nichtausblasende
Anordnungen zum Einsatz kommen.
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Grundsätzlich weisen Funkenstrecken ein oder mehrere
Elektrodenpaare auf, die sich in einem bestimmten Abstand zueinander
gegenüberstehen. Wird eine gegebene Feldstärke durch eine
zwischen den Elektroden auftretende Spannung überschritten,
dann stellt sich eine Lichtbogenentladung ein und es erfolgt
ein Durchschlag der Funkenstrecke. Auf diese Weise werden
Überspannungen begrenzt und die daraus resultierenden
Stoßströme über die Funkenstrecke abgeleitet.
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Über die Einstellung des Elektrodenabstands kann die
Ansprechspannung der jeweiligen Funkenstrecke vorgegeben werden.
Die Ableitung von größeren Stoßströmen bedingt eine Ausführung
mit thermisch- sowie lichtbogenbeständigen Materialien
allerdings in relativ großen Elektrodenabständen, was der
Realisierung einer Funkenstrecke mit möglichst kleinen
Ansprechspannungen zuwiderläuft. Weiterhin bestehen
Wechselwirkungen zwischen den Größen Ansprechstoß- und
Wechselspannung sowie dem eigentlichen Löschverhalten.
Es hat sich gezeigt, daß beispielsweise ein vorgegebener
Parameter den Wert übriger Parameter unveränderbar festlegt.
Eine Einflußnahme auf einzelne elektrische oder mechanische
Anforderungen ist nach dem Stand der Technik nur mit erhöhtem
technischen Aufwand möglich, was zu einer Vielzahl von
Sonderlösungen mit einer entsprechenden Typenvielfalt führt.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine
weiterentwickelte Funkenstreckenanordnung, bestehend aus zwei
im wesentlichen gegenüberliegenden Hauptelektroden sowie
mindestens einer Hilfs- oder Zündelektrode und zwischen den
Elektroden befindlichen isolierenden Abschnitten anzugeben,
wobei die Elektroden ein kammerartiges Volumen einschließen und
wobei die Möglichkeit besteht, die betreffende Funkenstrecke
als Standardbauteil auszuführen, welches mit wenigen
Veränderungen an unterschiedliche elektrische oder mechanische
Anforderungen angepaßt werden kann, so daß die vorzuhaltende
Teile- oder Typenvielfalt minimiert werden kann.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer
Funkenstreckenanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1,
wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen umfassen.
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Demnach liegt der Grundgedanke der Erfindung darin, eine
Trennfunkenstrecke zu schaffen, welche modular aufgebaut ist
und die aus einzelnen, aufeinander abgestimmten
Funktionsgruppen besteht, die quasi beliebig zusammengestellt, aber auch
erweitert werden können.
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Demnach wird von einer Basisbaugruppe ausgegangen, die die
primären Bestandteile einer Funkenstrecke, nämlich mindestens
zwei Hauptelektroden sowie eine Hilfselektrode umfaßt. Diese
standardisierbare Basisbaugruppe kann dann durch
Funktionsbaugruppen auf die jeweiligen Anforderungen eingestellt bzw.
angepaßt werden.
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Die Zusatzbestückung mittels Funktionsbaugruppen erfolgt
derart, daß sich selbige im freien Innen- oder Kammervolumen
der Basisbaugruppe befinden, so daß keine Veränderungen der
Grundabmessungen der Basisbaugruppe gegeben sind.
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Durch diese Maßnahme besteht die besonders vorteilhafte
Möglichkeit einer Standardisierung des oder der Außengehäuse,
welche die Basisbaugruppe aufnehmen und die die spezifischen,
überwiegend mechanischen Anforderungen der Gesamteinheit
erfüllen.
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Die Basisbaugruppe umfaßt eine Funkenstrecke mit äußeren
Anschlußpunkten und besteht aus einer Elektrodenanordnung mit
mindestens zwei Hauptelektroden und einer Zünd- oder
Hilfselektrode. Die bevorzugt zylindrischen Hauptelektroden weisen
elektrode. Die bevorzugt zylindrischen Hauptelektroden weisen
eine Napfform auf. Die Zündelektrode selbst ist bei dieser
Ausführungsform als Kreisring ausgebildet und an den
Außendurchmesser der napfförmigen Hauptelektroden angepaßt.
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Die napfförmigen Hauptelektroden werden mit ihren Öffnungen
zueinandergerichtet angeordnet, wobei im Zwischenraum die
kreisringförmige Zündelektrode befindlich ist. Alle Elektroden
sind gegenseitig isoliert, wobei als Isolierstoff ein
lichtbogenlöschendes Gas abgebender Isolierstoff verwendet werden
kann.
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Durch die Formgebung Zylinder bzw. Napf der Hauptelektroden und
ihrer Anordnung zueinander entsteht im Inneren ein frei
verfügbares Volumen, welches die erwähnten ergänzenden
Funktionsbaugruppen aufnehmen kann.
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Diese ergänzenden Funktionsbaugruppen, die im freien Volumen
der Basisbaugruppe integriert und über entsprechende Anschlüsse
intern elektrisch mit dieser verbunden werden können, dienen
nun der Einstellung elektrischer Eigenschaften.
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So kann es z. B. vorgesehen sein, eine Zündbaugruppe zur
Reduzierung der Ansprechstoßspannung einzubringen oder eine
thermische Überwachung quasi als Stromsicherung vorzusehen.
Weiterhin kann die ergänzende Funktionsbaugruppe eine
Filterfunktion im Sinne eines Hochpasses bzw. zur
Gleichstromentkopplung umfassen oder es besteht die Möglichkeit der
energetischen Bewertung und Steuerung durch einen angeordneten
Parallelwiderstand oder ähnlich wirkender Elemente (VDR, PTC
u. s. w.).
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Die elektrischen Anschlüsse für die Funktionsbaugruppen sind so
ausgeführt, daß diese direkt zwischen den beiden
Hauptelektroden mit ihren inneren Kontaktflächen liegen, so daß die sich
dort einstellende Strecke auf kürzestem Weg überbrückt wird.
Dadurch, daß die ergänzenden Funktionsbaugruppen komplett
innerhalb der Basisbaugruppe anordenbar sind, ergibt sich eine
sowohl elektrisch als auch mechanisch abgeschlossene Einheit
ohne Auftreten parasitärer Effekte.
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Erfindungsgemäß wird demnach, im geschaffenen Kammervolumen
direkt intern mit den Elektroden kontaktiert, mindestens eine
parameterbestimmende Funktionsbaugruppe eingebracht. Wie
erläutert, kann diese Funktionsbaugruppe eine Zündhilfe zum
Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke sein, jedoch
aber auch einen Impedanzabschluß umfassen oder eine thermische
Überwachungsschaltung aufnehmen. Die Elektroden der
Basisbaugruppe mit den isolierenden Abschnitten sind quasi
standardisierbar, wobei im Inneren des Kammervolumens Kontaktpunkte oder
-flächen für die jeweilige parameterbestimmende
Funktionsbaugruppe vorgesehen sind.
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Es liegt im Sinne der Erfindung, daß auch abweichend von einer
Zylinderform die Hauptelektroden der Basisbaugruppe eine andere
Querschnittsfläche besitzen können, solange sichergestellt ist,
daß ein ausreichendes freies Volumen gebildet wird.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, die mit der jeweiligen
parameterbestimmenden Funktionsbaugruppe ergänzte Basisbaugruppe
mit einem mindestens zweiteiligen Außengehäuse zu umgeben,
wobei über das Außengehäuse mindestens die Hauptelektroden
kontaktiert sind und ein fester mechanischer Verbund
hergestellt wird.
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Das Außengehäuse kann aus einem rohrförmigen Isolierstück sowie
zwei leitfähigen deckelartigen Abschlüssen bestehen.
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Im letzteren Fall besitzen die Deckelinnenseiten
Kontaktierungsvorsprünge, über welche ein Kraftschluß zur im Inneren
vorgesehenen Anordnung hergestellt wird und die Kontaktierung
realisierbar ist.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines
Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert
werden.
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Hierbei zeigen:
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Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung der Basisbaugruppe mit
napfförmigen Elektroden, Hilfs- oder Zündelektrode
sowie dem freien Volumen V;
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Fig. 2a die Darstellung einer nach dem Stand der Technik
bekannten externen Beschaltung einer Funkenstrecke
mit zusätzlichen Funktionsbaugruppen T;
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Fig. 2b eine Darstellung der erfindungsgemäßen Integration
einer ergänzenden Funktionsbaugruppe T im
geschaffenen Kammervolumen V;
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Fig. 3a bis d Prinzipschaltbilder der Ausführungsformen möglicher
parameterbestimmender Funktionsbaugruppen;
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Fig. 4 eine praktische Ausführungsform einer
Funktionsbaugruppe zur Reduzierung der Ansprechstoßspannung; und
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Fig. 5 eine Ausführungsform eines Außengehäuses für die
Basisbaugruppe der Funkenstreckenanordnung.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, wird bei der Funkenstreckenanordnung
gemäß Ausführungsbeispiel von einer Basisbaugruppe ausgegangen,
welche zwei gegenüberliegende napfförmige Hauptelektroden 1
aufweist.
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Zwischen den Hauptelektroden 1 ist eine Hilfs- oder
Zündelektrode 2 angeordnet, wobei entsprechend isolierende Abschnitte
vorgesehen sind. Mit A, B und C sind äußere elektrische
Anschlußpunkte der modularen Funkenstreckenanordnung
bezeichnet.
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Die z. B. zylindrischen, napfförmigen Hauptelektroden 1 und eine
kreisringförmige Hilfselektrode 2 schließen ein freies Volumen
V ein, das zur Aufnahme von parameterbestimmenden
Funktionsbaugruppen T, mit den äquivalenten Anschlußpunkten A', B', C'
wie prinzipiell in Fig. 2b gezeigt, dient.
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Die ergänzenden, parameterbestimmenden Funktionsbaugruppen T
werden vom freien Volumen der Basisbaugruppe aufgenommen und
dort integriert und über die Anschlüsse A', B' und C' mit
dieser elektrisch verbunden.
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Erfindungswesentlich ist hierbei, daß sowohl die elektrischen
Anschlüsse als auch die Funktionsbaugruppe selbst im Inneren
der Basisbaugruppe befindlich ist und nicht, wie in Fig. 2a
dargestellt, eine externe Beschaltung notwendig ist.
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Die ergänzende Funktionsbaugruppe T liegt mit ihren beiden
Anschlüssen A', B' direkt zwischen den beiden Hauptelektroden 1
mit den dort vorgesehenen Anschlüssen A und B und überbrückt
somit auf kürzestem Weg diese Strecke.
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Die Fig. 3a bis d zeigen beispielhaft denkbare
parameterbestimmende Funktionsbaugruppen. So ist in der Fig. 3a eine
Baugruppe als Zündhilfe zur Reduzierung der Ansprechstoßspannung
und in Fig. 3b eine Baugruppe mit thermischer Überwachung als
Stromsicherung dargestellt. Bei der Baugruppe nach Fig. 3c
besteht die Möglichkeit einer zusätzlichen DC-Entkopplung bzw.
einer Hochpaßfunktion mittels einer Kapazität K.
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Fig. 3d ist analog Fig. 3c ausgeführt, wobei jedoch hier eine
energetische Bewertung über einen Parallelwiderstand R
zusätzlich möglich ist.
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Selbstverständlich können Funktionsbaugruppen auch als reine
Impedanzabschlüsse in Form einer L-, R- und/oder C-Beschaltung
vorgesehen sein, die als Leitungsabschluß, Bandpaß oder
dergleichen mit der Basisbaugruppe kombiniert werden.
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Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist eine konkrete Zündhilfe als
ergänzende Funktionsbaugruppe im freien Kammervolumen
angeordnet. Diese Zündhilfe umfaßt eine erste Induktivität L1 sowie
eine zweite Induktivität L2. Weiterhin ist eine
Überschlagsstrecke U vorgesehen, die in Reihe zur ersten Induktivität L1
liegt, bzw. deren Anschlußleitung, wie in Fig. 4 dargestellt,
die Induktivität L1 bildet.
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Die vorbeschriebene Standard-Basisbaugruppe, umfassend im
wesentlichen Hauptelektroden 1, Hilfselektrode 2 und
entsprechende Isolierabschnitte, kann von einem Außengehäuse nach
Fig. 5, welches ebenfalls standardisierbar ist, aufgenommen
werden.
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Das Außengehäuse besteht beim gezeigten Beispiel aus einem
rohrförmigen Isolierstück 3 und zwei deckelartigen Abschlüssen
4. Die Deckelinnenseiten besitzen Kontaktierungsvorsprünge 5,
über welche ein Kraftschluß zur im Inneren vorgesehenen
Basisbaugruppe sowie deren elektrische Kontaktierung über die
Anschlüsse A, B herstellbar ist. Die Deckel 4 können mit dem
rohrförmigen Isolierstück verschraubt, aber auch durch Bördeln
oder andere kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindungen
fixiert werden.
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An den Stellen A" bzw. B" sind am oder im Deckel 4
Anschlußklemmen, Schraubbolzen, Gewindelöcher oder ähnliche Mittel
vorgesehen, welche eine elektrische Verbindung der nun
kompletten Funkenstreckenanordnung zur Umgebung herstellt. Die
Anschlußstelle C ist durch die integrierte Anordnung der
ergänzenden parameterbestimmenden Funktionsbaugruppen intern
abgeschlossen und muß nicht nach außen geführt werden.
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Im Bedarfsfall können Kanäle kleinen Querschnitts vorgesehen
sein, um den durch den Lichtbogen explosionsartig entstehenden
Innendruck gezielt über einen vorgegebenen Zeitraum nach außen
entweichen zu lassen, so daß sich ein Druckausgleich einstellt.
Bezugszeichenliste
1 Hauptelektroden
2 Hilfselektrode
3 rohrförmiges Isolierstück
4 Deckel
5 Kontaktierungsvorsprünge