DE10164025A1 - Gekapselter, Netzfolgestrom begrenzender Überspannungsableiter auf Funkenstreckenbasis - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gekapselten, Netzfolgestrom begrenzenden Überspannungsableiter auf Funkenstreckenbasis für Niederspannungsanwendungen mit zwei Hauptelektroden sowie mit bei Temperaturbelastung Gas abgebenden Isolierteilen, wobei eine der Hauptelektroden mindestens Teil der Kapselung und/oder des Funkenstreckengehäuses ist. Erfindungsgemäß besitzt die Kapselung oder das Funkenstreckengehäuse eine im Wesentlichen langgestreckte Quaderform, wobei im Quader eine Lichtbogenbrennkammer und mindestens zwei separate Expansionsräume, jeweils im Wesentlichen sich über die gesamte Quaderhöhe erstreckend, gebildet sind. Die Expansionsräume sind mit der Lichtbogenbrennkammer über Kanäle verbunden und die Kammer sowie die Expansionsräume verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Die Lichtbogenbrennkammer ist im Kopfbereich von einer der Hauptelektroden und von einem Isolierteil begrenzt und im gegenüberliegenden Fußbereich von einem Lichtbogenansatzteil gebildet, welches mit der weiteren Hauptelektrode elektrisch in Verbindung steht. Die Kanäle erstrecken sich seitlich vom Lichtbogenansatzteil hin zu den Expansionsräumen. In mindestens einem Kanal und/oder einem Expansionsraum können weitere, bei Lichtbogenzündung und Temperaturanstieg Gas abgebende, einen Gegendruck aufbauende Isolationsteile oder Isolationsabschnitte vorgesehen sein. Die Lichtbogensäule bildet sich zwischen dem Kopf- und Fußbereich, d. h. zwischen den Hauptelektroden und dem vorgesehenen ...

Description

• Die Erfindung betrifft einen gekapselten, Netzfolgestrom begrenzenden Überspannungsableiter auf Funkenstreckenbasis für Niederspannungsanwendungen mit zwei Hauptelektroden sowie mit bei Temperaturbelastung gasabgebenden Isolierteilen, wobei eine der Hauptelektroden mindestens Teil der Kapselung und/oder des Funkenstreckengehäuses ist gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Es ist bekannt, in Niederspannungsnetzen zum Schutz vor Überspannungen zwischen den N-L-Leitern Überspannungsableiter auf der Basis von selbstlöschenden Funkenstrecken einzusetzen.
• Diese Funkenstrecken müssen insbesondere zum Schutz bei direktem Blitzeinschlag über ein hohes Stoßstromableitvermögen bis ca. 25 kA 10/350 µs verfügen und sollen auch die auftretenden Netzfolgeströme im Bereich bis zu 25 kA selbsttätig unterbrechen. Weiterhin sollen derartige Funkenstrecken während der Lichtbogenphase den Netzfolgestrom so stark begrenzen, daß durch vorgeordnete Überstromschutzgeräte keine Abschaltung der Stromversorgung des Endabnehmers mit allen dann anstehenden nachteiligen Folgen eintritt.
• Aufgrund der Entwicklungen in den letzten Jahren besteht die Tendenz, die Funkenstrecken bei geringen Abmessungen gekapselt auszuführen, so daß keine heißen, elektrisch leitfähigen Gase oder auch Abbrandpartikel in die angrenzende Umgebung der Ableiter ausgeblasen werden.
• Eine gekapselte Funkenstrecke mit einem optimierten Netzfolgestrom-Löschvermögen ist beispielsweise aus der DE 196 04 947 C1 bekannt. Dort ist eine Funkenstreckenanordnung beschrieben, die zwei Elektroden umfaßt, welche innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind und wobei ergänzend die Möglichkeit besteht ein Löschgas vorzusehen. Um eine Steigerung des Folgestromlöschvermögens bei keiner, zumindest aber nur bei einer geringen Volumenerhöhung der Gesamtanordnung zu erreichen, wird eine Abstimmung der Größe des zu löschenden Folgestromes auf das Volumen des Innenraumes des Gehäuses vorgeschlagen, wobei es darum geht, eine kurzzeitige Erhöhung des Innendruckes des Gehäuses auf ein Vielfaches des atmosphärischen Druckes zu bewirken. Die Druckerhöhung, in dem die Elektroden aufweisenden Innenraum, wird dabei durch den Lichtbogen des Folgestromes selbst produziert.
• In der DE 198 17 063 A1 wird ein Überspannungsschutzelement mit Lichtbogenwanderung offenbart, bei dem eine innere Elektrode in einer äußeren Elektrode angeordnet ist. Die innere Elektrode ragt mit einem Ende frei in die äußere Elektrode hinein, wobei der Querschnitt der inneren Elektrode zum freien Ende hin abnimmt und ein Lichtbogenabstand zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode zu dem freien Ende hin zunimmt. Konkret wird weiterhin gelehrt, daß es erwünscht ist, wenn derjenige Flächenbereich der inneren Elektrode, über den hin verteilt Lichtbögen entstehen, bei kompakten Bauvolumen vergrößert ist und ein schnelleres Wegwandern der entstandenen Lichtbögen veranlaßt. Auch ist im dortigen, eine der Elektroden bildenden Teil des Gehäuses, eine Öffnung zum Druckausgleich vorgesehen. Die Anordnung selbst ist rotationssymetrisch und weist eine Zylinderform auf.
• In der EP 0 860 918 B1 wird ein Ableiter auf Funkenstreckenbasis vorgestellt, bei der der eigentlichen Funkenstrecke ein zweiter Raum nachgeordnet ist, der vom Raum der Funkenstrecke durch eine Platte mit Öffnungen getrennt wird und bei welchem Prall- und Kühlflächen vorhanden sind, sowie eine Ausblasöffnung vorgesehen ist. Mit der Ausgestaltung des zweiten Raumes soll eine Umlenkung und Kühlung der heißen Gase erfolgen, so daß diese ohne Gefährdung der Umgebung austreten können.
• Die Ausblas-Röhrenfunkenstrecke nach DE-PS 897 444 arbeitet nach dem sogenannten Löschrohrprinzip, wo zur Verringerung der Gefährdung durch das Ausblasen eine in Reihe geschaltete Blaskammer angeordnet ist, in welcher die erhitzten Gase eine Umlenkung und eine Kühlung erfahren, bevor sie die entsprechende Kammer verlassen.
• Die Überspannungsschutzeinrichtung mit verbesserten Netzfolgestrom-Löschvermögen nach DE 100 08 764 A1 geht von einer konzentrischen Anordnung von einem ersten Funkenhorn und einem zweiten Funkenhorn aufweisenden ersten und zweiten Elektrode aus, wobei zwischen den Funkenhörnern Luft-Durchschlag- Funkenstrecken gebildet werden. Bei der dortigen Konstruktion soll eine möglichst geringe Bauhöhe erreicht werden und zwar dadurch, daß das erste Funkenhorn kegelstumpfförmig ausgebildet und das zweite Funkenhorn konzentrisch um das erste Funkenhorn herum angeordnet ist.
• In der PCT/EP99/06962 wird ein Überspannungsleiter auf Funkenstreckenbasis beschrieben, der vollständig gekapselt aufgebaut werden kann und dessen Funktion auf dem Prinzip der Hartgaserzeugung beruht. Der dortige Ableiter weist einen im Verhältnis zum Brennraum großen Abkühlraum auf, in welchem die erzeugten und erhitzten Gase durch eine Düse zur Steuerung des Massendurchsatzes gelangen. Der große Abkühlraum soll hierbei die erzeugte Gasmenge aufnehmen und möglichst rasch abkühlen. Die Nachteile einer derartigen Anordnung bestehen darin, daß die aufgenommene Energie des Gases, welches in den Abkühlraum gelangt, nicht weiter zur Beeinflussung des Lichtbogenverhaltens genutzt wird, so daß der Lichtbogen bis in den Abkühlraum vordringen kann und das bei Überforderung des Kühlvermögens der Abkühlkammer keine Druckdifferenz zwischen Kühlraum und Trennraum verbleibt, wodurch die notwendige Beströmung des Lichtbogens, insbesondere bei vollständiger Kapselung zum Erliegen kommt. Die Folge ist, daß die Lichtbogenspannung schlagartig sinkt und somit die Begrenzung des Folgestromes unerwünscht reduziert wird. Zudem müssen zur Erzeugung einer hohen Bogenbrennspannung vergleichsweise große Mengen an Hartgas freigesetzt werden.
• Im Gegensatz zu den bekannten Ausblasräumen offenbart die DE 195 06 057 A1 eine Löschfunkenstrecken-Anordnung in gekapselter Form, bei der durch Druckdifferenzen der einzelnen Räume eine Beströmung des Lichtbogens erreicht wird und somit die Ausblasräume direkt auf den Lichtbogenbrennraum Einfluß nehmen. Dies wird allerdings nur dann erreicht, wenn der Druck im Brennraum vergleichsweise gering ist und außerdem recht große Volumina der Abkühlräume zur Verfügung stehen.
• Ganz allgemein hat sich zur Steigerung des Löschvermögens bzw. auch zur Folgestrombegrenzung bei Überspannungsableitern die Beströmung des Lichtbogens mit Hartgas bewährt.
• Um den Beblasungseffekt möglichst optimal zur Folgestromlöschung umsetzen zu können, wurden Ableiter mit diesen Funkenstrecken regelmäßig ausblasend ausgeführt.
• Aufgrund der Tatsache, daß es notwendig ist, benachbarte Anlagenteile vor dem heißen und elektrisch leitenden Gasstrahl der Ableiter zu schützen, werden dem aktiven Bereich der Funkenstrecken Kammern zur Umlenkung und Abkühlung der Gase wie es der Stand der Technik zeigt, nachgeschaltet, wobei diese Kammern die Temperatur der ausgeblasenen Gase unter einen kritischen Bereich senken. In dem Fall, wenn die Abkühlkammern vollständig geschlossen sein sollen, sind beachtliche Volumina notwendig, die über das eigentliche Volumen des aktiven Teiles des Ableiters deutlich hinausgehen, was der Eingangs erwähnten generellen Zielstellung zuwiderläuft.
• Der große Druckunterschied im Hoch- und Niederdruckteil der Funkenstrecke ist systembedingt erforderlich, da zur exakten Funktionsweise der Ableiter bei Folgestrom ein Druckgefälle zwischen dem aktiven Bereich und dem Ausblasbereich notwendig ist. Bei Wegfall des Druckgefälles und damit auch der Strömung wird die Effizienz der Lichtbogenkühlung deutlich reduziert. Dies führt unerwünscht zur Einschränkung der Leistungsfähigkeit des Ableiters.
• Das Druckgefälle zwischen aktivem Bereich und Kühlkammern kann bei den Ableitern nach dem Stand der Technik jedoch nur durch einen vergleichsweise großen und aufwendig gekühlten Ausblasraum und gegebenenfalls durch Düsen, welche zur raschen Entspannung der Gase Verwendung finden, zwischen aktivem Bereich und Kühlkammer, aufrechterhalten werden. Ziel der Kühlkammern ist demnach nur, zu erreichen, daß die dem Gas zugeführte Energie möglichst schnell abgebaut wird, um so das notwendige Druckgefälle zwischen der Lichtbogenkammer und dem Ausblasraum während der gesamten Folgestromlöschung zu gewährleisten.
• Bei dem vorgenannten Lösungsansatz zum Erreichen der gewünschten Strombegrenzung ist eine beachtliche Gaserzeugung erforderlich, wodurch entsprechend große Ausblasvolumen bzw. Kühlkammern notwendig werden. Die Umsetzung der bisherigen Lösungsansätze wird bei geringen Abmessungen aber vergleichbaren Leistungsvermögen u. a. dadurch erschwert, das keine ausreichende Volumen für Ausblasräume bzw. Umlenk- und Abkühlräume zur Verfügung stehen. Des weiteren reduziert sich auch das Volumen zur Bereitstellung von Hartgas, welches zur Beströmung des Lichtbogens notwendig ist. Es stehen bei geringeren Volumen daher weniger Hartgasreserven zur Verfügung und das Abkühlvolumen der Ausblasräume ist begrenzt.
• Bei einem hohen Hartgasverbrauch reduziert sich daher nicht nur die Lebensdauer des Ableiters, sondern es droht auch dessen Versagen bei einer Überlastung des Abkühlvermögens. Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung einen weiterentwickelten gekapselten, Netzfolgestrom begrenzenden Überspannungsableiter auf Funkenstreckenbasis für Niederspannungsanwendungen anzugeben, welcher über eine effektive Folgestrombegrenzung verfügt, der prinzipiell auch getriggert ausgeführt werden kann und der über ein geringes Gesamtvolumen sowie eine hohe Zuverlässigkeit verfügt.
• Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Überspannungsableiter mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
• Erfindungsgemäß wird zur Folgestrombegrenzung der Druckaufbau durch den Lichtbogen selbst sowie durch das Hartgas in dem druckfesten Gehäuse des Ableiters und zusätzlich die radiale Beströmung des Lichtbogens in diesem Bereich genutzt. Die Aufrechterhaltung der für die Beströmung und die Verlängerung des Lichtbogens bei Folgestrom notwendigen Druckdifferenz trotz geringer Abmessungen und eines geringen Druckabbaus innerhalb des gesamten Ableiters erfolgt dadurch, daß mindestens eine der beiden Elektroden zwei unabhängige Expansionsräume einschließt, in denen abwechselnd unterschiedliche Drücke herrschen, welche durch die Funkenstrecke und insbesondere den Lichtbogen selbst erzeugt und gesteuert werden und deren Druckdifferenz zur Unterstützung der gewünschten Rotationsbewegung und -beblasung mindestens eines Lichtbogenansatzes genutzt wird.
• Die Folgestrombegrenzung ist so gestaltet, daß bei den maximal durch die Funkenstrecke beherrschbaren prospektiven Kurzschlußstrom eine Reduzierung seines Scheitelwertes auf ein Zwanzigstel oder weniger erfolgt.
• Demnach besitzt die Kapselung oder das Funkenstreckengehäuse entgegen dem bisher bekannten Stand der Technik eine im Wesentlichen langgestreckte Quaderform, wobei im Quader eine Lichtbogenbrennkammer und mindestens zwei separate Expansionsräume, jeweils im Wesentlichen sich über die gesamte Quaderhöhe erstreckend, gebildet sind.
• Die Expansionsräume sind mit der Lichtbogenbrennkammer über Kanäle verbunden und es verlaufen die Kammern sowie die Expansionsräume im Wesentlichen parallel zueinander.
• Die Lichtbogenbrennkammer ist im Kopfbereich von einer der Hauptelektroden und von einem Isolierteil begrenzt und im gegenüberliegenden Fußbereich von einem Lichtbogenansatzteil, welches mit der weiteren Hauptelektrode in Verbindung steht, gebildet. Die Kanäle erstrecken sich seitlich vom Lichtbogenansatzteil hin zu den vorerwähnten Expansionsräumen.
• Im mindestens einem Kanal und/oder einem Expansionsraum können weitere, bei Lichtbogenzündung und Temperaturanstieg Gas abgebende, einen Gegendruck aufbauende Isolierteile oder Isolierabschnitte vorgesehen.
• Die Lichtbogensäule, welche sich zwischen dem Kopf- und Fußbereich, d. h. zwischen den Hauptelektroden und dem vorgesehenen Lichtbogenansatzteil bildet, führt eine Fußpunktbewegung im Bereich des Lichtbogenansatzteiles aus. Diese Fußpunktbewegung verschließt abwechselnd einen der Verbindungskanäle zu den Expansionsräumen, so daß sich unterschiedliche Druck- und Strömungsverhältnisse jeweils aufbauen.
• Durch das Isolierteil im Kopfbereich der Lichtbogenbrennkammer kann in leichter Weise eine Triggerelektrode geführt werden, so daß auch unter diesem Aspekt die Aufgabenstellung erfüllt ist.
• Die Expansionsräume und die Lichtbogenbrennkammer erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe des quaderförmigen Körpers.
• Die Kanäle verlaufen im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse der Brennkammer bzw. den Expansionsräumen. Weiterhin können die Verbindungskanäle aus einem gasabgebenden Isolierstoff bestehen.
• Der Quader oder Quaderkörper weist Hohlräume auf, die die Lichtbogenbrennkammer und die Expansionsräume sowie die Kanäle erfindungsgemäß bilden.
• Es kann aber auch eine der Hauptelektroden Hohlräume aufweisen, welche mindestens die Expansionsräume umfassen, wobei die Expansionsräume jeweils nahezu das gleiche Volumen wie die Lichtbogenbrennkammer besitzen.
• Der Querschnitt der Expansionsräume ist im Wesentlichen gleich demjenigen der Kanäle und der Lichtbogenbrennkammer. Die Expansionsräume sind im Wesentlichen entgegengesetzt der Strömungsrichtung innerhalb der Lichtbogenbrennkammer orientiert.
• Ausgestaltend kann der Übergangsbereich zwischen Lichtbogenbrennkammer und dem jeweiligen Kanal eine Aufweitung besitzen, um auch bei vollständiger Ausfüllung des Brennraumes durch den Lichtbogen bzw. Lichtbogensäule ein Abströmen der Gase hinein in einen oder beide der Expansionsräume zu gewährleisten.
• Bevorzugt besitzen die Innenseiten der Expansionsräume Mittel zur effektiven Gaskühlung. Diese Mittel können Kühlplatten, Kühlbleche oder aber auch Oberflächenstrukturen, z. B. nach Art von Noppen umfassen. Auch ist es von Vorteil, wenn die Expansionsräume aus Kupfer- oder Kupferlegierungsmaterial bestehen.
• Weiterhin verfügen die Expansionsräume über Entlüftungsöffnungen mit einem kleinen Durchmesser oder Querschnitt zum allmählichen Druckausgleich zur Umgebung hin.
• Es besteht bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Möglichkeit in der Kapselung mehrere, elektrisch verschaltbare Lichtbogenbrennkammern mit jeweils zugeordneten Kanälen und Expansionsräumen auszubilden.
• Ebenso kann eine Lichtbogenbrennkammer als separates Bauteil gefertigt in eine Kapselung eingebracht werden, welche die Kanäle sowie die Expansionsräume enthält und die Gegenelektrode sowie das Lichtbogenansatzteil bildet.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
• Hierbei zeigen:
• Fig. 1 eine Schnittdarstellung und eine Schnittdraufsicht einer ersten Ausführungsform des Überspannungsableiters in quaderförmiger Gestalt;
• Fig. 2 eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 1 jedoch mit zusätzlichen Kühlplatten oder -stegen innerhalb der Expansionsräume;
• Fig. 3 eine Ausführungsform mit verschiedenen Anordnungen von Brennkammern und Expansionsräumen, die auch teilweise miteinander bzw. untereinander verbunden sind;
• Fig. 4 eine Ausführungsform des Überspannungsableiters mit Expansionsräumen, die sich ausgehend vom Lichtbogenansatzteil sowohl nach oben als auch nach unten, in den Kopf- und Fußbereich erstrecken;
• Fig. 5 einen Überspannungsableiter mit zwei Lichtbogenbrennräumen, denen jeweils zwei Expansionsräume zugeordnet sind, wobei die Möglichkeit der Verschaltung der Lichtbogenbrennräume besteht und
• Fig. 6 eine Schnittdarstellung durch einen Ableiter, bei dem eine vorgefertigte Funkenstrecke nach dem Hartgasprinzip in eine Kapselung einschraubbar ist, welche mindestens Expansionsräume umfaßt.
• Bei der Funkenstrecke nach den Figuren, insbesondere Fig. 1 wird von einer Quaderform ausgegangen, die an die üblichen Abmessungen von sogenannten Reihengehäusen angepaßt ist, wobei die Breite und die Höhe deutlich größer als die Tiefe gewählt wird.
• Die Funkenstrecke besteht in ihrer einfachsten Ausführungsform, d. h. ungetriggert aus der ersten Hauptelektrode 1, einem ersten Isolierteil 2 und der zweiten Hauptelektrode 3.
• Die Hauptelektrode 3 nimmt im Inneren die Lichtbogenbrennkammer 5 auf und es erstrecken sich zwei Expansionsräume 6 ausgehend von einem bei Folgestrombelastung bevorzugten Lichtbogenansatzteil 4.
• Bei einer triggerfähigen Ausführungsform ist eine Trigger- oder Hilfselektrode 7 in das erste Isolierteil 2 integriert. Das Isolierteil 2 gibt bei Temperaturbelastung durch den Lichtbogen Löschgas ab.
• Nach Überschlag der Isolationsstrecke am Isolierteil 2 zündet der Lichtbogen entlang der kürzesten Trennstrecke 8 zwischen den Hauptelektroden 1 und 3.
• Danach bewegt sich der Lichtbogenfußpunkt auf der Innenseite der Lichtbogenkammer 5 durch die in Folge der Lichtbogenzündung und der zusätzlichen Gasabgabe durch das Isolierteil 2 entstehenden Druckdifferenz und der damit einsetzenden Strömung zwischen der Brennkammer 5 und den Expansionsräumen 6 entlang des Teiles 3 innerhalb der Brennkammer 5 zum bevorzugten Lichtbogenansatzbereich, d. h. zum Lichtbogenansatzteil 4 hin.
• Die mit dem Bezugszeichen 9 erreichte Länge, die dem Abstand der Hauptelektrode 1 zum Teil 4 entspricht, ist gleich einer Lichtbogenlänge, die über die nahezu gesamte Lichtbogendauer beibehalten wird.
• Das Vermögen der Funkenstrecke zur Begrenzung, Löschung oder sogar zur Vermeidung von Netzfolgeströmen steigt mit der Länge des Lichtbogens, die mit der Modifikation der Länge der Lichtbogenbrennkammer erreicht werden kann sowie mit Zeitdauer aber auch der Menge der Gasabgabe und der Gasart, bevorzugt Wasserstoff, d. h. den Eigenschaften des ersten Isolierteiles 2. Eine weitere Varianz ist die Möglichkeit der Reduzierung des Querschnittes der Lichtbogenbrennkammer 5, die u. a. eine Erhöhung der Intensität der Gasströmung der Lichtbogenkühlung und eine Druckerhöhung in der Brennkammer nach sich zieht, wodurch eine Erhöhung der Lichtbogenspannung und somit auch der Folgestrombegrenzung erreicht werden kann.
• Allerdings ist es nicht wünschenswert den Querschnitt der Lichtbogenbrennkammer 5 weiter zu reduzieren, da hiermit eine Verschlechterung der Stoßstromtragfähigkeit einhergeht.
• Aufgrund der geringen Abmessungen der Lichtbogenkammer und der Expansionsräume, sowie der angestrebten hohen Lebensdauer ist es sinnvoll die erzeugte Gasmenge bei der erfindungsgemäßen Funkenstrecke zu minimieren. Hierzu wird die Länge bzw. werden die Abmessungen des hartgasabgebenden Materials, vorzugsweise POM, auf ein Minimum begrenzt und zwar in einem Bereich von Durchmesser zu Länge kleiner 1 : 2.
• Der innere Querschnitt des Isolierteiles 2 wird bevorzugt kreisförmig gestaltet und besitzt einen Radius von 1 bis 5 mm. Hierdurch wird sowohl die entstehende Gasmenge bei Folgestrom als auch bei Stoßströmen reduziert.
• Um eine Verlängerung des Lichtbogens und damit einen hohen Leistungsumsatz bei Stoßströmen zu verhindern, ist es notwendig die Druckdifferenz und damit die Strömung zwischen der Lichtbogenbrennkammer 5 und den Expansionsräumen 6 zu reduzieren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Expansionsräume 6 und/oder in die Verbindungskanäle 10 ebenfalls hartgasabgebendes Isoliermaterial 15 eingebracht werden kann. Da die Höhe der Stoßströme durch die Funkenstrecke nicht reduziert werden kann, da es sich hier um einen eingeprägten Strom handelt, wird bei Stoßstrombelastung der gesamte Querschnitt des Brennkanals vom Lichtbogen ausgefüllt. Die Höhe des Stromes, des Druckes, des Leistungsumsatzes und die Temperatur des Plasmas betragen ein Vielfaches der Werte im Vergleich zum Folgestrom. Eine gegenüber der Folgestrombelastung deutlich größere und stärker erhitzte Gasmenge dringt somit direkt und schlagartig in die Expansionsräume ein. Als Folge hiervon wird zusätzlich Hartgas durch die Teile 15 außerhalb der Brennkammer produziert. Da das Volumen der Expansionsräume ohnehin erfindungsgemäß gering ist, wird innerhalb der kurzen Zeitdauer gegenüber der Brennkammer ein Gegendruck aufgebaut, wodurch eine lichtbogenverlängernde Strömung zum Erliegen kommt. Hierdurch kann der Energieumsatz bei Stoßströmen innerhalb des Ableiters begrenzt werden.
• Durch geeignete Positionierung, die Vorgabe einer bestimmten Menge und die Art des gasabgebenden Materials innerhalb der Kanäle 10 bzw. der Expansionsräume 6 kann sehr gut gesteuert werden, bei welchen Belastungen und Temperaturen zusätzlich Gas abzugeben ist.
• Je näher das Hartgas abgebende Material 15 der Lichtbogenbrennkammer 5 positioniert ist und je niedriger die Temperatur ist, bei welcher das Material zu Gasen beginnt, desto niedriger sind die Belastungen, bei denen zusätzliches Gas außerhalb des Brennraumes frei wird.
• In dem Falle, wenn die Verbindungskanäle 10 auch aus Gas abgebenden Isolationsmaterial hergestellt sind, ergibt sich eine bessere Abtrennung des Brennraumes von den Expansionsräumen 6. Bei einer weiteren Ausführungsform können somit die Expansionsräume 6 und auch ein Teil des Ableitergehäuses gegenüber der Hauptelektrode 3 isoliert werden.
• Bei Netzfolgeströmen ist der Leistungseintrag in das Gas und in die Expansionskammern deutlich geringer, so daß das Kühlvermögen der Expansionskammern 6 ausreicht, um eine Abgabe von Hartgas, wie sie bei Stoßströmen auftritt, innerhalb der Expansionsräume 6 bzw. der Verbindungskanäle 10 zu unterbinden.
• Die bei Stoßströmen positiven Auswirkungen der Verkürzung bzw. Begrenzung der Lichtbogenlänge und damit des Energieumsatzes würden jedoch bei Folgestrom zu einem weniger stark beströmten und gekühlten Lichtbogen führen. Ein verschlechtertes Folgestromlöschvermögen wäre die unmittelbare Folge. Die Verlängerung des Lichtbogens zur Kompensation ist bei wünschenswert reduzierten Abmessungen ebenfalls nur begrenzt möglich. Um dennoch das angestrebte starke strombegrenzende Löschvermögen zu erreichen, muß die Lichtbogenbrennspannung durch einen stärkeren und rascheren Druckaufbau innerhalb der Brennkammer erhöht werden. Dies ist jedoch in einfacher Weise durch ein geringeres Volumen der Brennkammer und der Expansionsräume realisierbar.
• Dies und das relativ geringe zur Verfügung stehende Volumen der Funkenstrecken insbesondere der Expansionsräume 6 sowie die Vermeidung der Abgabe von heißen ionisierten Gasen und damit einem Großteil an Energien durch die angestrebte Kapselung führen dazu, daß durch eine zu starke Druckangleichung zwischen Brennkammer und Expansionsraum und eventuell auch unterstützt durch Druckreflexion, die zur Kühlung und Verlängerung des Lichtbogens notwendige Gasströmung sehr stark unterbunden wird oder völlig zum Erliegen kommt. Dies führt dann durch mangelnde Kühlung, durch Reduzierung der Lichtbogenlänge oder durch Festbrennen des Lichtbogens zur Senkung der Bogenbrennspannung und damit zum möglichen Versagen der Funkenstrecke.
• Um derartige Folgen zu vermeiden, ist es selbst bei extrem geringen Volumen und hohen Drücken innerhalb der Funkenstrecken notwendig, bei Folgestrom eine so hohe Druckdifferenz zwischen Brennraum und Expansionsraum zu gewährleisten, daß eine kontinuierliche Beströmung des Lichtbogens realisiert wird.
• Zum o. g. Ziel werden erfindungsgemäß die erwähnten unabhängigen Expansionsräume 6, die z. B. innerhalb der Hauptelektrode 3 anordenbar sind, genutzt. Damit eine für die Verlängerung und Kühlung notwendige Gasströmung unter den vorgenannten Bedingungen aufrecht erhalten werden kann, werden die mindestens zwei, im Idealfall nahezu gleichgroßen Expansionsräume in eine Elektrode eingebettet, welche gleichzeitig wesentlicher Bestandteil des Gehäuses oder der Kapselung des Ableiters ist. Die Expansionsräume haben nahezu das gleiche Volumen wie der aktive Bereich des Ableiters, nämlich die Lichtbogenbrennkammer. Innerhalb der Expansionsräume erfolgt in der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 1 keine nennenswerte Aufweitung oder Reduzierung des Querschnittes gegenüber den Kanälen 10 und hin zum Lichtbogenbrennraum bzw. der Brennkammer 5. Das heißt, auch der Querschnitt der Expansionsräume entspricht in etwa demjenigen der Lichtbogenbrennkammer 5.
• Es sind hier allerdings auch Ausgestaltungsvarianten denkbar, bei denen eine ausschließliche Reduzierung des Querschnittes der Lichtbogenbrennkammer 5 zur drastischen Folgestrombegrenzung bzw. -vermeidung angestrebt wird oder auch bei einer höheren Anzahl von Expansionsräumen besteht die Möglichkeit das Verhältnis der Volumina und der Querschnitte der Lichtbogenbrennkammer 5 zu den Expansionsräumen 6 anders zu gestalten, z. B. höher als 2 jedoch kleiner als 20.
• Wie in der Fig. 1 erkennbar, sind die Expansionsräume 6 mit der Lichtbogenbrennkammer auf der Ebene des bevorzugten Lichtbogenfußpunktes, nämlich am Lichtbogenansatzteil mit jeweils einem Kanal 10 verbunden, dessen Querschnitt nur gering vom Querschnitt der Lichtbogenbrennkammer 5 abweicht, um eine ungewollte Druckreflexion und Düsenbildung oder aber auch eine Düsenverstopfung bei zu geringer Belastung zu vermeiden. Die Kanäle 10 bei zwei Expansionsräumen befinden sich in der gleichen Ebene und liegen einander gegenüber. Weiterhin sind die Expansionsräume so gestaltet, daß sie sich bevorzugt entgegengesetzt zur Strömungsrichtung innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 erstrecken.
• Nach der Zündung des Lichtbogens wird, wie dargestellt, durch den rasch entstehenden Überdruck der Lichtbogen entlang der Hauptelektrode 3 bis hin zum Lichtbogenansatzteil 4 verlängert. Das erhitzte Gas strömt in die Expansionsräume 6 und bewirkt im Gegensatz zu bekannten Lösungen sehr rasch auch einen beachtlichen Druckanstieg innerhalb dieser Teilräume, welcher nur noch minimal vom Druck innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 abweicht. Dieser Druck wirkt nun wiederum auf das Abströmverhalten aus der Lichtbogenbrennkammer 5 zurück. Um einen vollständigen Druckausgleich, durch welchen wie oben gezeigt, die notwendige Gasströmung zum Erliegen kommt und wodurch die Funkenstrecke infolge der damit verbundenen drastischen Reduzierung der Bogenbrennspannung ihr Vermögen zur Strombegrenzung nahezu verlieren würde, zu vermeiden, wird die Spezifik der Fußpunktbewegung von Lichtbögen und weiterhin die Vorteile der unabhängigen Expansionskammern genutzt.
• Der Lichtbogenfußpunkt und somit auch der Lichtbogen bewegt sich kontinuierlich im bevorzugten Bereich des Teiles 4. Hierdurch ergibt sich das prinzipielle Verhalten, daß bei den gewählten geringen Durchmessern der Kanäle 10 von wenigen Millimetern diese wechselseitig durch die Bogensäule bei Netzfolgeströmen vollständig bzw. teilweise verschlossen werden. Hierdurch wird die Gaszufuhr aus der Lichtbogenbrennkammer 5 in den jeweiligen Expansionsraum 6 wechselseitig unterbrochen bzw. unterschiedlich stark eingeschränkt. Dies führt nun dazu, daß sich der Druck durch die Abkühlung der Gase innerhalb des verschlossenen Expansionsraumes gegenüber der anderen Expansionskammer 6, in welcher weiterhin eine uneingeschränkte Gaszufuhr erfolgt und insbesondere gegenüber der Lichtbogenbrennkammer reduziert.
• Zur Unterstützung des unterschiedlichen Einströmverhaltens der Kammern können die Einlaßöffnungen der Kanäle 10 zwischen Lichtbogenbrennkammer 5 und den Expansionsräumen 6 so aufgeweitet oder ausgestaltet werden, daß ein Abströmen der Gase auch bei nahezu vollständiger Ausfüllung der Lichtbogenbrennkammer durch den Lichtbogen bei Folgestrombelastungen gewährleistet bleibt.
• Die wechselnden Druckverhältnisse im Bereich des Teiles 4 bzw. die Spezifik der Lichtbogenfußpunktbewegung führen zur Freigabe des jeweiligen Abströmkanals 10 in den Raum mit reduzierten Druck. Hierdurch wird der weitere oder andere Expansionsraum entlastet bzw. verschlossen, wodurch sich nun in diesem der Druck reduzieren kann. Der unterschiedliche Druck zwischen den Expansionsräumen 6 kann bei einer kurzzeitigen Freigabe beider (Abström)Kanäle 10 auch zu einer Strömung zwischen den Expansionsräumen 6 selbst führen, wodurch die Fußpunktbewegung bzw. die Lichtbogenrotation im Bereich des Teiles 4 unterstützt ist.
• Durch die wechselnden Druckverhältnisse in den Expansionsräumen kann sowohl die Strömung im Brennkanal als auch eine kontinuierliche Bogenbewegung trotz extrem hoher Drücke in der Brennkammer und den Expansionsräumen im Bereich von bis über 100 bar sichergestellt werden und somit bis zu größten Folgeströmen eine Verstopfung der Kanäle vermieden werden. Die Druckdifferenz zwischen Brennraum und den Expansionsräumen beträgt bei der Lösung nach Ausführungsbeispiel bevorzugt nur wenige Prozent bzw. bar. Der Druck in den Expansionsräumen entspricht jedoch mindestens 50% des mittleren Druckes, welcher innerhalb der Lichtbogenbrennkammer herrscht.
• Damit wird gewährleistet, daß die unabhängigen Expansionsräume 6 über unterschiedliche Drücke verfügen und das deren Druck trotz ihrer geringen Größe stets unterhalb des Druckes innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 liegt, wodurch sichergestellt ist, daß eine kontinuierliche Strömung und damit das Funktionsprinzip der Funkenstrecke für die Netzfolgestromunterbrechung aufrecht erhalten werden kann.
• Da die Zeitdauer für die Abkühlung der Gase in den Expansionsräumen, d. h. die Verweilzeit nur wenige Mikrosekunden aufgrund der schnellen Fußpunktbewegung beträgt und die Druckdifferenz für mehrere Millisekunden bei Folgeströmen aufrechterhalten werden muß, ist es notwendig, die Gase innerhalb der Expansionsräume trotz des geringen Volumens effektiv zu kühlen. Als Material hierfür wird insbesondere Kupfer oder dessen Legierungen eingesetzt. Zusätzlich kann die Oberfläche der Expansionsräume durch Aufrauhung, Rillen, Erhebungen, Kühlplatten o. ä. vergrößert werden.
• Der Einsatz derartiger Materialien mit geringerer Lichtbogenresistenz wird möglich, da der stromführende Teil des Lichtbogens sich nicht über den Bereich in der Nähe des Teiles 4 hinaus in die Expansionsräume der in diesem Fall zusammengesetzten Hauptelektrode 3 ausbreitet.
• Die Expansionsräume 6 weisen zeichnerisch nicht dargestellte Druckausgleichsöffnungen kleinen Querschnittes auf, die für einen allmählichen Druckausgleich Sorge tragen, wodurch ein reproduzierbares Ansprechverhalten der Funkenstrecke nach deren Belastung gewährleistet ist.
• Die Funkenstrecke gemäß Ausführungsbeispiel verfügt trotz ihres hohen Vermögens zur Folgestrombegrenzung und einer hohen Stoßstromtragfähigkeit über einen geringen Verschleiß. Es wird eine vergleichsweise geringe Menge an Hartgas zur Erzeugung eines hohen Brennraumdruckes und einer hohen Lichtbogenspannung benötigt, wodurch der Abbrand des gasabgebenden Isolierteiles 2 begrenzt bleibt.
• Die verstärkte Beströmung und damit Bewegung des Lichtbogens aufgrund der Druckdifferenzen innerhalb aller Räume führt zu einem geringerem Abbrand in der Lichtbogenbrennkammer 5 (Hauptelektrode 1, 3; Isolierteil 2) aber auch im Bereich des Lichtbogenansatzteiles 4.
• Gemäß Fig. 1 wird die erste Hauptelektrode 1 in die zweite Hauptelektrode 3 isoliert eingebracht. Hierfür findet das Isolierteil 2 Verwendung. Das Isolierteil 2 besteht aus einem Material, welches unter Lichtbogeneinwirkung Hartgas abgibt. Zur Verkürzung des Überschlagsweges kann das Isolierteil 2 auch aus einer Schichtung von isolierenden Teilen und elektrisch halbleitenden bzw. leitenden Teilen bestehen.
• Wie bereits erwähnt, kann innerhalb des Isolierteiles 2 zusätzlich, isoliert gegenüber den Hauptelektroden 1 und 3 eine weitere Hilfselektrode 7 eingebracht werden, welche zur gezielten externen Triggerung des Ableiters verwendet wird.
• Gemäß Fig. 1 beinhaltet die Hauptelektrode 3 die beiden Expansionsräume 6 und die Lichtbogenbrennkammer 5. Die Elektrode 3 kann dabei vollständig aus lichtbogenbeständigen Material, wie z. B. Wolfram/Kupfer-, Chrom/Stahl-Legierungen, Graphit oder Ähnlichem aufgebaut werden bzw. aus Kostengründen nur partiell im Brennraum 5 und im Bereich des Teiles 4 aus einem solchen Material bestehen. Der Bereich des Teiles 4 ist gegenüber den umgebenden Elektrodenbereich hin zum Kopf, d. h. zur gegenüberliegenden Hauptelektrode 1 erhaben ausgeführt. Innerhalb der Expansionsräume 6 aber auch innerhalb der Kanäle 10 kann bei Bedarf zur Begrenzung des Energieumsatzes bei Stoßströmen hartgasabgebendes Material 15 angeordnet werden.
• Bei der Fig. 2 ist eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 1 gezeigt, wobei jedoch die Expansionsräume 6 mit einer Auswahl verschiedener Möglichkeiten zur Anbringung von Kühlplatten 11 oder -stegen 12 versehen sind. Ziel dieser Mittel ist es ein möglichst großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Kühlkörpers bei maximaler Volumenausnutzung zu schaffen.
• In der Draufsicht verschiedener Anordnungen von Brennkammern 5 und Expansionsräumen 6 nach Fig. 3 werden Gestaltungsmöglichkeiten offenbart, bei denen die Expansionsräume auch mindestens teilweise miteinander oder untereinander verbindbar sind.
• Die Schnittdarstellung eines Überspannungsableiters gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 offenbart Expansionsräume, die sich bezogen auf das Lichtbogenansatzteil 4 in der Elektrode sowohl nach oben als auch nach unten, d. h. zum Kopf- und Fußbereich hin erstrecken.
• Bei entsprechender Gestaltung sind auch Anordnungen denkbar, bei denen sich der Expansionsraum vorwiegend nur auf der Höhe des Lichtbogenfußpunktes um die Lichtbogenbrennkammer, z. B. in koaxialer Form oder in Segmenten erstreckt.
• Fig. 5 zeigt einen Ableiter, bei dem zwei Lichtbogenbrennräume mit je zwei Expansionsräumen korrespondieren. Die Lichtbogenbrennräume oder Lichtbogenbrennkammern 5.1 und 5.2 können elektrisch verschalten werden. Je nach Verschaltung der Lichtbogenbrennkammern kann die Stoßstromtragfähigkeit (Parallelschaltung) oder die Folgestrombegrenzung auch bei höheren Spannungen (Reihenschaltung) verbessert werden. Fig. 5 stellt nur ein Beispiel einer höheren Anzahl von Brennräumen bzw. Lichtbogenbrennkammern dar, daß nicht den Erfindungsgedanken begrenzend zu interpretieren ist. In ähnlicher Weise sind auch Anordnungen für eine drehstromgerechte Verschaltung der einzelnen Ableiterpfade realisierbar.
• Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist ein Ableiter gezeigt, bei dem eine vorgefertigte Funkenstrecke 13 nach dem Hartgasprinzip in ein ebenfalls vorgefertigtes oder vorfertigbares Gehäuse 14 eingeschraubt wird. Dieses Gehäuse 14 umfaßt mindestens die beschriebenen Expansionsräume 6 und im gezeigten Beispiel auch das Lichtbogenansatzteil 4 für den Lichtbogenfußpunkt.

Claims (17)

1. Gekapselter, Netzfolgestrom begrenzender Überspannungsableiter auf Funkenstreckenbasis für Niederspannungsanwendungen mit zwei Hauptelektroden sowie mit bei Temperaturbelastung gasabgebenden Isolierteilen, wobei eine der Hauptelektroden mindestens Teil der Kapselung und/oder des Funkenstreckengehäuses ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kapselung oder das Funkenstreckengehäuse eine im Wesentliche langgestreckte Quaderform besitzt, wobei im Quader eine Lichtbogenbrennkammer und mindestens zwei separate Expansionsräume, jeweils im Wesentlichen sich über die gesamte Quaderhöhe erstreckend gebildet sind, die Expansionsräume mit der Lichtbogenbrennkammer über Kanäle verbunden sind und die Kammer sowie die Expansionsräume im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen,
die Lichtbogenbrennkammer im Kopfbereich von einer der Hauptelektroden und von einem Isolierteil begrenzt und im gegenüberliegendem Fußbereich von einem Lichtbogenansatzteil, welches mit der weiteren Hauptelektrode in Verbindung steht, gebildet wird,
sich die Kanäle seitlich vom Lichtbogenansatzteil hin zu den Expansionsräumen erstrecken und
sich die Lichtbogensäule zwischen dem Kopf- und Fußbereich, d. h. zwischen der Hauptelektrode und dem vorgesehenen Lichtbogenansatzteil ausbildet, wobei durch die Fußpunktbewegung am Lichtbogenansatzteil abwechselnd einer oder zeitweise beide Verbindungskanäle zu den Expansionsräumen von der Lichtbogensäule mindestens teilweise verschlossen wird/werden, so daß sich unterschiedliche Druck- und Strömungsverhältnisse aufbauen.

2. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Isolierteil im Kopfbereich der Lichtbogenbrennkammer eine Triggerelektrode geführt ist.

3. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Expansionsräume und die Lichtbogenbrennkammern im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Quaders erstrecken und die Expansionsräume sich bevorzugt in den Endbereichen der Längs-Schmalseiten des Quaders befinden.

4. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse der Brennkammer oder den Expansionsräumen verlaufen.

5. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle aus einem gasabgebenden Isolierstoff bestehen.

6. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Quader Hohlräume aufweist, die die Lichtbogenkammern und die Expansionsräume sowie die Kanäle bilden.

7. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Hauptelektroden Hohlräume aufweist, welche mindestens die Expansionsräume umfassen, wobei die Expansionsräume jeweils nahezu das gleiche Volumen wie die Lichtbogenbrennkammer besitzen.

8. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Expansionsräume im Wesentlichen demjenigen der Kanäle und Lichtbogenbrennkammer entspricht.

9. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsräume sich im Wesentlichen entgegengesetzt zur Strömungsrichtung innerhalb der Lichtbogenbrennkammer erstrecken.

10. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich zwischen der Lichtbogenbrennkammer und dem jeweiligen Kanal eine Aufweitung besitzt, um auch bei vollständiger Ausfüllung des Brennraumes durch den Lichtbogen ein Abströmen der Gase zu gewährleisten.

11. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseiten der Expansionsräume Mittel zur Gaskühlung umfassen.

12. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Expansionsräume strukturiert ist und/oder Kühlplatten oder -flächen vorgesehen sind.

13. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsräume aus Kupfer- oder Kupferlegierungs- Material bestehen.

14. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsräume Entlüftungsöffnungen kleinen Querschnitts zum allmählichen Druckausgleich zur Umgebung hin aufweisen.

15. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Kapselung mehrere elektrisch verschaltbare Lichtbogenbrennkammern mit jeweils zugeordneten Kanälen und Expansionsräumen vorhanden sind.

16. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtbogenbrennkammer als separates Bauteil gefertigt in eine Kapselung einbringbar ist, welche die Kanäle sowie die Expansionsräume enthält und die die Gegenelektrode sowie das Lichtbogenansatzteil bildet.

17. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Kanal und/oder einem Expansionsraum weitere, bei Temperaturanstieg gasabgebende, einen Gegendruck aufbauende Isolationsteile oder Isolationsabschnitte vorgesehen sind.