DE102004060915A1

DE102004060915A1 - Enclosed over voltage suppressor for use as power line discharger, has two chambers, where compressible residual volume remains between casing and chambers, and connection electrodes connected with liquid metal portion

Info

Publication number: DE102004060915A1
Application number: DE200410060915
Authority: DE
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-22

Abstract

The suppressor has a current limiting unit with a different behavior having impulse current and power line series current load. The unit has a pressure insulating housing with two chambers, where liquid metal is placed in each chamber. Liquid metal fillings communicate over a channel and a compressible residual volume remains between a casing and the chambers. Two connection electrodes are connected with a liquid metal portion.

Description

Die Erfindung betrifft einen gekapselten Überspannungsableiter für den Einsatz als Netzfunkenstrecke im Niederspannungsbereich mit getrennten, elektrisch in Reihe geschalteten Funktionseinheiten für ein Ansprechen bei Überspannung zum Erhalt eines niedrigen Schutzpegels einerseits sowie zur Begrenzung des Netzfolgestroms andererseits, wobei die Einheit zum Ansprechen bei Überspannung als Funkenstrecke ausgeführt ist und die Einheit zur Begrenzung des Netzfolgestroms im Normalzustand eine niederohmige, induktivitätsarme Verbindung zum Anschlußpotential gewährleistet, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to an encapsulated surge arrester for use as a network spark gap in the low-voltage range with separate, electrically connected in series functional units for a response at overvoltage to maintain a low level of protection on the one hand and to limit it on the other hand, the unit for addressing at overvoltage executed as a spark gap is and the unit for limiting the network follow current in the normal state a low-impedance, low-inductance Connection to the connection potential guaranteed according to the generic term of claim 1

Bekanntermaßen werden in Niederspannungsnetzen zum Schutz vor Überspannungen zwischen zwei aktiven Leitern in vielen Fällen Überspannungsableiter auf der Basis von selbstlöschenden Funkenstrecken eingesetzt. Diese Funkenstrecken dienen auch dem Schutz bei direktem Blitzeinschlag und müssen daher über ein hohes Stoßstrom-Ableitvermögen ≥ 25 kA 10/350μs verfügen.Be known in low voltage networks to protect against surges between two active conductors in many cases surge arresters on the basis of self-extinguishing spark gaps used. These spark gaps are also for direct protection Lightning strike and need therefore about have a high surge current discharge capacity ≥ 25 kA 10 / 350μs.

Infolge des verstärkten Einsatzes von empfindlichen elektronischen Geräten in durch Überspannung gefährdeten Bereichen besteht zunehmend die Forderung nach einem niedrigen Schutzpegel, z.B. 1,5 kV anstatt 4 kV. Weiterhin besteht die Forderung nach einer hohen Anlagenverfügbarkeit, d.h. auch bei Überspannung, selbst bei Blitzeinwirkung, soll eine ungestörte Stromversorgung möglich sein. Dies erfordert von den Überspannungsableitern ein möglichst hohes Netzfolgestrom-Löschvermögen und zudem eine effektive Folgestrombegrenzung.As a result of the reinforced Use of sensitive electronic devices in by overvoltage vulnerable Areas, there is an increasing demand for a low level of protection, e.g. 1.5 kV instead of 4 kV. Furthermore, there is the demand for a high plant availability, i. even with overvoltage, even with lightning, an undisturbed power supply should be possible. This requires of the surge arresters preferably high reticule stream extinguishing capability and In addition, an effective sequence current limit.

Aufgrund der immer kompakteren Bauweise der Installationsumgebung der Überspannungsableiter wird neben der installationsgerechten Bauweise von modernen Ableitern auch die Vermeidung des Freisetzens von ionisierten Gasen beim Ansprechen gefordert. Die vorstehenden Erfordernisse führen zu zahlreichen Konsequenzen bei der Realisierung von Überspannungsableitern. Durch den geringen Schutzpegel, welcher beispielsweise durch den Einsatz von elektronischen Zündeinrichtungen und zum Teil einer sensiblen Zündbereichsgestaltung in der Funkenstrecke realisiert wird, steigt die Häufigkeit des Ansprechens der Ableiter und deren Belastung. Die Vermeidung der Abgabe von ionisierten Gasen führt zu einem dramatisch höheren Leistungsumsatz in der Funkenstrecke, da bei älteren ausblasenden Funkenstrecken zum Teil über 90% der Energie in Form von heißem Gas an die Umgebung abgegeben wurde. Die erwünschte Folgestrombegrenzung erfordert ebenfalls einen höheren Energieumsatz in der Funkenstrecke.by virtue of the increasingly compact design of the installation environment of the surge arresters In addition to the installation-friendly design of modern arresters also called for the avoidance of the release of ionized gases when responding. The above requirements lead to numerous consequences in the realization of surge arresters. Due to the low level of protection, which for example by the Use of electronic ignition devices and part of a sensitive Zündbereichsgestaltung is realized in the spark gap, the frequency of the Response of the arresters and their load. Avoiding the Release of ionized gases leads to a dramatically higher Power conversion in the spark gap, as with older Ausblasenden spark gaps partly over 90% of the energy in the form of hot Gas was discharged to the environment. The desired follow current limit also requires a higher one Energy turnover in the spark gap.

Dieser gegenüber älteren Überspannungsableitern deutlich höhere Leistungsumsatz erfordert sowohl aufwendige Konstruktionen als auch leistungsfähigere und teuere Materialien.This over older surge arresters significantly higher Power conversion requires both elaborate designs and more powerful ones expensive materials.

Durch die mit dem Energieeintrag verbundene schnellere Alterung aller eingesetzten Teile wird zudem die Realisierung der Hauptaufgaben des Ableiters, nämlich einerseits bei Überspannung eine reproduzierbare Ansprechspannung aufrechtzuerhalten und andererseits bei üblichen normalen Netzbedingungen eine hochisolierende Strecke zu bilden, erschwert.By the faster aging of all associated with the energy input used parts is also the realization of the main tasks of the arrester, namely on the one hand with overvoltage to maintain a reproducible response voltage and on the other hand at usual normal network conditions to form a highly insulating route, difficult.

Bekannt sind Ableiter auf der Basis von Hörnerfunkenstrecken, z.B. nach EP 0 706 245 A1 sowie entsprechende Ausführungsformen mit Zündeinrichtungen, beispielsweise nach DE 198 03 636 A1 .Arresters are known on the basis of Hörnerfunkenstrecken, for example after EP 0 706 245 A1 as well as corresponding embodiments with ignition devices, for example according to DE 198 03 636 A1 ,

Aufgrund des dort gewählten Folgestrom-Löschprinzips mit einer konventionellen Löschblechkammer kann der sensible Zündbereich zumindest über einen gewissen Zeitbereich vor dem Leistungsumsatz bei der Folgestrombegrenzung geschützt werden. Nachteilig bei dieser oder ähnlichen Ausführungsform ist jedoch das Ausblasen von heißem ionisierten Gas in die Umgebung des Ableiters. Infolge der unvermeidbaren Laufzeit des Lichtbogens bis zum Erreichen der Löschkammer bleibt die strombegrenzende Wirkung einer solchen Löscheinrichtung zudem eher gering.by virtue of of the one chosen there Follow current extinguishing principle with a conventional splitter chamber the sensitive ignition area can be at least one certain time period before the power consumption at the follow current limitation protected become. A disadvantage of this or similar embodiment is, however, the blowing out of hot ionized gas in the Environment of the arrester. Due to the unavoidable duration of the Arc until reaching the quenching chamber remains the current limiting Effect of such a deletion device also rather low.

Eine mögliche Verkürzung der Laufwege führt jedoch unweigerlich wieder zu einer Erhöhung der Belastung des sensiblen Zündbereichs durch Strahlung bzw. heiße Gasströmung. Weitere Maßnahmen zur Beschleunigung des Laufverhaltens sind aufwendig, benötigen Bauraum und führen zu höheren Kosten.A possible shortening the walkways leads However, inevitably again to increase the burden of the sensitive ignition region by radiation or hot Gas flow. Further measures to accelerate the running behavior are consuming, require space and lead to higher Costs.

Des Weiteren sind Überspannungsableiter bekannt, bei denen einfache Gasentladungsableiter mit strombegrenzenden Elementen in Reihe geschaltet werden. Hierfür finden z.B. Varistoren, Induktivitäten, Widerstände, aber auch Kaltleiter Einsatz. Verwiesen sei beispielsweise auf die DE 1 241 514 A1 , DE 1 803 162 A1 und die US-PS 3,849,704 .Furthermore, surge arresters are known in which simple gas discharge arresters are connected in series with current-limiting elements. For this varistors, inductors, resistors, but also PTC thermistors are used. Reference is made, for example, to the DE 1 241 514 A1 . DE 1 803 162 A1 and the U.S. Patent 3,849,704 ,

Nachteilig bei diesen Varianten des Standes der Technik ist jedoch häufig die geringe Impulsstrom-Tragfähigkeit und der hohe Spannungsabfall (Restspannung) bei Impulsbelastungen.adversely in these variants of the prior art, however, is often the low pulse current carrying capacity and the high voltage drop (residual voltage) at impulse loads.

Die DE 101 39 565 A1 , DE 199 26 005 A1 , DE 199 27 065 A1 und DE 199 09 558 C1 offenbaren Ausführungsformen von Strombegrenzern auf der Basis von Flüssigmetall für den Einsatz im Längszweig.The DE 101 39 565 A1 . DE 199 26 005 A1 . DE 199 27 065 A1 and DE 199 09 558 C1 disclose embodiments of current limiters based on liquid metal for use in the longitudinal branch.

In der DE 198 53 580 C1 , DE 100 18 564 A1 , DE 100 18 563 A1 , DE 199 03 939 A1 , DE 199 03 940 C1 und DE 199 05 372 C1 werden Details zur Gestaltung von Trennwänden und deren Engstellen bei Strombegrenzern auf der Basis von Flüssigmetall vorgestellt. Unter anderem werden dort poröse, zum Teil mit einer isolierenden Flüssigkeit gefüllte und auch gasabgebende Trennwände vorgeschlagen. Der Ausgestaltung der Engstellen reicht von einer einteilig offenen Spaltenausführung bis hin zu konischen, V-förmigen und abgewinkelten Bohrungen. Des Weiteren wird für die eigentliche Engstelle der Einsatz von hochwertigen, im Wesentlichen abbrandfesten Materialien vorgeschlagen, wobei hingegen die Gestaltung der übrigen Trennwände aus kostengünstigeren Materialien vorgenommen werden soll.In the DE 198 53 580 C1 . DE 100 18 564 A1 . DE 100 18 563 A1 . DE 199 03 939 A1 . DE 199 03 940 C1 and DE 199 05 372 C1 Details on the design of partitions and their bottlenecks in current limiters based on liquid metal are presented. Among other things, porous, partly filled with an insulating liquid and also gas-emitting partitions are proposed there. The design of the bottlenecks ranges from a one-piece open column design to conical, V-shaped and angled holes. Furthermore, the use of high-quality, substantially erosion-resistant materials is proposed for the actual bottleneck, whereas, on the other hand, the design of the remaining partitions should be made of less expensive materials.

In der DE 198 59 095 A1 , DE 199 16 325 A1 , DE 199 16 324 A1 , DE 199 16 323 A1 und DE 199 16 322 A1 werden Gestaltungsvarianten für fest stehende Metallelektroden aufgezeigt sowie Lösungen für die benachbarten Engstellen, um einerseits die festen Elektroden vor dem direkten Kontakt mit einem Lichtbogen zu schützen bzw. die Elektroden zu kühlen und andererseits die Diffusion und somit die Alterung der festen Elektroden durch das eingesetzte Flüssigmetall zu reduzieren.In the DE 198 59 095 A1 . DE 199 16 325 A1 . DE 199 16 324 A1 . DE 199 16 323 A1 and DE 199 16 322 A1 design variants are shown for fixed metal electrodes and solutions for the adjacent bottlenecks, on the one hand to protect the fixed electrodes from direct contact with an arc or to cool the electrodes and on the other hand the diffusion and thus the aging of the fixed electrodes by the liquid metal used to reduce.

Hinsichtlich möglicher Maßnahmen zur Beeinflussung des Schaltverhaltens eines Strombegrenzers auf der Basis von Flüssigmetall sei auf die DE 199 18 453 A1 , DE 199 03 837 A1 , DE 199 03 938 C1 und DE 199 18 451 A1 aufmerksam gemacht. Im einzelnen wird hier auf Möglichkeiten zur Einstellung der Strombegrenzung durch eine Regelung des Flüssigkeitsstands über der Engstelle, die Beeinflussung des Stroms durch ferromagnetische Materialien und die Stromführung, die Ausnutzung des Druckaufbaus zur mechanischen Einengung bzw. zum rückstellbaren Verschließen der Engstellen sowie die Reduzierung der dynamischen Belastung durch einen beweglichen rückstellbaren Kolben hingewiesen.With regard to possible measures for influencing the switching behavior of a current limiter on the basis of liquid metal is on DE 199 18 453 A1 . DE 199 03 837 A1 . DE 199 03 938 C1 and DE 199 18 451 A1 made aware. Specifically, here is how to adjust the current limit by controlling the liquid level over the bottleneck, influencing the flow through ferromagnetic materials and the current flow, the use of pressure build-up for mechanical constriction or resettable closing of bottlenecks and the reduction of dynamic load indicated by a movable resettable piston.

Die DE 101 08 236 A1 schlägt vor, den Strombegrenzer zur Wiederherstellung eines möglichst geringen Bahnwiderstands nach Belastung mit Ultraschall zu beaufschlagen.The DE 101 08 236 A1 Proposes that the current limiter should be subjected to ultrasound in order to restore the lowest possible resistance to the railway after loading.

Die DE 198 53 577 C1 hingegen zeigt einen lageunabhängigen Aufbau eines Begrenzers mit Flüssigmetall.The DE 198 53 577 C1 On the other hand, it shows a position-independent construction of a limiter with liquid metal.

In der DE 199 14 147 A1 wird eine Strombegrenzeranordnung vorgestellt, welche um die Längsachse ohne Funktionseinschränkung drehbar ist.In the DE 199 14 147 A1 a current limiter arrangement is presented, which is rotatable about the longitudinal axis without function restriction.

Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten gekapselten Überspannungsableiter für den Einsatz als Netzfunkenstrecke im Niederspannungsbereich mit getrennten, elektrisch in Reihe geschalteten Funktionseinheiten für ein Ansprechen bei Überspannung zum Erhalt eines niedrigen Schutzpegels sowie zur Begrenzung des Netzfolgestroms anzugeben, welcher einerseits den derzeitigen Anforderungen moderner Überspannungsschutzelemente genügt und der andererseits die energetische Belastung des grundsätzlich sensiblen Ansprech- und Isolationsbereichs der Funkenstrecke auf ein Minimum reduziert.Out The above object of the invention, a further developed encapsulated surge arrester for the Use as a network spark gap in the low voltage range with separate, electrically connected in series functional units for a response at overvoltage to maintain a low level of protection and to limit the To specify the network sequence, which on the one hand the current requirements modern overvoltage protection elements enough and on the other hand, the energetic burden of the fundamentally sensitive Response and isolation range of the spark gap to a minimum reduced.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen gekapselten Überspannungsableiter gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The solution The object of the invention is achieved by an encapsulated surge arrester according to the combination of features according to claim 1, wherein the dependent claims at least expedient embodiments and represent further education.

Erfindungsgemäß wird demnach unter Rückgriff auf eine relativ einfach aufgebaute gekapselte Funkenstrecke, die im allgemeinen über eine frei einstellbare Zündeinrichtung verfügt, diese mit einer Strombegrenzungseinrichtung in Reihe geschaltet, wobei die Strombegrenzungseinrichtung einen niedrigen Bahnwiderstand besitzt und sich in einer druckfesten Kapselung befindet. Hierdurch erfolgt eine Kombination der jeweiligen, auf die einzelnen Spezifika optimierbaren Geräteeigenschaften.Accordingly, according to the invention under recourse on a relatively simple constructed encapsulated spark gap, the in general about a freely adjustable ignition device features, this connected in series with a current limiting device, wherein the current limiting device has a low resistance and is in a flameproof enclosure. This is done a combination of the respective, optimizable to the individual specifics Device properties.

Die Strombegrenzungseinrichtung weist ein unterschiedliches Verhalten bei Impulsstrom- und Netzfolgestrom-Belastung auf, und zwar derart, daß die Strombegrenzungseinrichtung bevorzugt nur dann anspricht, wenn Netzfolgeströme vorliegen, um diese Ströme dann im gewünschten Maß zu begrenzen.The Current limiting device has a different behavior at momentum current and line current load, in such a way that the Current limiting device preferably only responds when there are follow-on currents, around these streams then in the desired Measure too limit.

Hierfür besitzt die Strombegrenzungseinrichtung ein druckfestes isolierendes Gehäuse mit zwei durch mindestens einen langgestreckten, als Engstelle wirkenden Kanal verbundenen Kammern. In jeder Kammer befindet sich ein Flüssigmetall, das beispielsweise in einer elastischen oder nachgiebigen Umhüllung befindlich ist. Die Flüssigmetallfüllung der jeweiligen Kammern kommunizieren über den vorerwähnten Kanal. Weiterhin verbleibt zwischen der vorerwähnten Umhüllung und der jeweiligen Kammer ein komprimierbares Restvolumen. Zwei Anschlußelektroden, die jeweils mit der zugehörigen Flüssigmetallmenge in Verbindung stehen, sind darüber hinaus vorgesehen.Owns for this the current limiting device with a pressure-resistant insulating housing two by at least one elongated, acting as a bottleneck Channel connected chambers. In each chamber is a liquid metal, that is, for example, in an elastic or flexible envelope is. The liquid metal filling of the respective Chambers communicate via the aforesaid Channel. Furthermore, it remains between the aforementioned enclosure and the respective chamber Compressible residual volume. Two connection electrodes, each with the associated Liquid metal amount communicate are about it also provided.

Die Strombegrenzungseinrichtung kann von einem zusätzlichen metallischen Gehäuse umgeben sein, welches dann gleichzeitig eine Komponente der Funkenstrecke bildet oder diese Funkenstrecke aufnimmt.The Current limiting device may be surrounded by an additional metallic housing, which then simultaneously forms a component of the spark gap or pick up this spark gap.

Erfindungsgemäß ist das Verhältnis der Länge des Kanals zum Durchmesser viel größer als 1 gewählt. Dies bedeutet, daß der Kanal sehr lang, aber schmal, respektive mit einem geringen Durchmesser ausgeführt wird.According to the invention, the ratio of Län ge the channel to the diameter much larger than 1 chosen. This means that the channel is made very long, but narrow, or with a small diameter.

Das komprimierbare Restvolumen kann jeweils z.B. als gasgefüllter Schlauch oder Faltenbalg ausgeführt werden.The compressible residual volumes may each be e.g. as a gas-filled tube or bellows executed become.

Die eingesetzte einfache Funkenstrecke und deren Parameter ergeben, sich einerseits aus der Realisierung einer gewünschten niedrigen Ansprechspannung, welche durch eine Zündeinrichtung realisierbar ist, und andererseits durch eine hohe Impulsstrom-Tragfähigkeit. Des Weiteren weist die Funkenstrecke ein hohes Wiederverfestigungs-Vermögen gegenüber der wiederkehrenden Netzspannung und ein hohes Isolationsvermögen von etwa 400 V bis 1000 V auf. Das eigene Folgestrom-Löschvermögen kann eher gering sein.The used simple spark gap and their parameters, on the one hand from the realization of a desired low response voltage, which by an ignition device can be realized, and on the other hand by a high pulse current carrying capacity. Furthermore, the spark gap has a high reconsolidation capacity over the recurrent mains voltage and a high insulation capacity of about 400 V to 1000 V. The own follow current erasing power can be rather low.

Die Lichtbogenspannung, insbesondere bei Impuls-, aber auch bei Folgeströmen wird zur Minimierung des Leistungsumsatzes in der Funkenstrecke gering gehalten. Ebenso gering gehalten wird die Zündverzugszeit der Funkenstrecke, um so die Restspannung bei Impulsbelastung schnell auf unkritische Werte abzusenken.The Arc voltage, especially at pulse, but also at subsequent currents to minimize the power consumption in the spark gap low held. Equally low is the ignition delay time of the spark gap, so the residual stress at momentum load quickly to uncritical To lower values.

Vorstehende Forderungen ermöglichen die Begrenzung des Leistungsumsatzes in der Funkenstrecke und der Zündeinrichtung auf ein Mindestmaß, welches eine wesentliche Voraussetzung zur Beherrschung von größeren Impulsstrombelastungen ist.above Allow claims the limitation of power turnover in the spark gap and the ignition device to a minimum, which is an essential prerequisite for mastering larger impulse current loads is.

Eine zusätzliche Belastung durch die technisch notwendigen Maßnahmen zur Strombegrenzung aufgrund einer hohen Bogenspannung und zur Folgestromlöschung entsteht für die Funkenstrecke nicht und belastet nahezu ausschließlich die erfindungsgemäß in Reihe geschaltete spezielle Strombegrenzungseinrichtung.A additional Exposure to the technically necessary measures to limit the current due to a high arc voltage and the subsequent current quenching arises for the Spark gap not and charged almost exclusively the according to the invention in series switched special current limiting device.

Durch die beschriebene Reihenschaltung wird also eine Funktionstrennung zwischen Funkenstrecke und Begrenzungseinrichtung realisiert. Während die Begrenzungseinrichtung ausschließlich der Begrenzung der möglichen Netzfolgeströme dient, übernimmt die Funkenstrecke das Ansprechen und die Isolation des Überspannungsableiters.By the series connection described thus becomes a function separation realized between spark gap and limiting device. While the Limiting device exclusively serves to limit the possible follow-on currents, takes over the spark gap the response and the isolation of the surge arrester.

Die Strombegrenzungseinrichtung erfüllt nachstehende Anforderungen.The Current limiting device meets the following Conditions.

Die Impedanz der Strombegrenzungseinrichtung ist gering, da bei der Ableitung von Impulsströmen im kA-Bereich der angestrebte Schutzpegel von < 4 kV bzw. < 1,5 kV nicht überschritten werden darf.The Impedance of the current limiting device is low, since in the Derivation of pulse currents in the kA range, the desired protection level of <4 kV or <1.5 kV must not be exceeded.

Bei Impulsströmen verhält sich die Strombegrenzungseinrichtung erfindungsgemäß passiv, d.h. sie fungiert als niederohmiger Anschluß der Funkenstrecke, ohne einen zusätzlichen Spannungsabfall zu bewirken. Die Restspannung bei Impulsbelastung wird somit im Wesentlichen durch die einfache Funkenstrecke bestimmt und ist somit aufgrund der niedrigen Lichtbogenbrennspannung gering, wodurch auch der gesamte Leistungsumsatz begrenzt bleibt. Bei dem Auftreten von Folgeströmen erhöht sich in entsprechender Weise der Bahnwiderstand und der Spannungsabfall über der Strombegrenzungseinrichtung, wodurch die Folgeströme begrenzt und gelöscht werden.at pulse currents behave According to the invention, the current-limiting device is passive, i.e. it acts as a low-resistance connection of the spark gap, without one additional To cause voltage drop. The residual voltage at impulse load is thus essentially determined by the simple spark gap and is therefore low due to the low arc voltage, which also limits the total power turnover. In which Occurrence of subsequent currents elevated In a similar way, the resistance and the voltage drop across the Current limiting device, which limits the subsequent currents and deleted become.

Bei der erfindungsgemäßen Anwendung der Strombegrenzungseinrichtung kehrt diese nach der Unterbrechung des Folgestroms bzw. nach dem Abklingen des Impulses wieder in den leitfähigen Zustand mit einem geringen Bahnwiderstand zurück.at the application of the invention the current limiting device reverses it after the interruption the subsequent stream or after the decay of the pulse back into the conductive Condition back with a low track resistance.

Für die angestrebte Anwendung des Strombegrenzers eignet sich der Einsatz von Flüssigmetall besonders. Denkbar ist aber auch die Verwendung von supraleitenden Materialien, die ebenso wie Flüssigmetalle geringe Bahnwiderstände besitzen. Im Vergleich zu den bekannten Anwendungen von Strombegrenzern mit Flüssigmetall im Längszweig wird mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung die notwendige Anpassung für die Nutzung im Querzweig erreicht.For the intended Application of the current limiter, the use of liquid metal is particularly suitable. However, it is also conceivable to use superconducting materials, as well as liquid metals low railway resistance have. Compared to the known applications of current limiters with liquid metal in the longitudinal branch becomes with the embodiment according to the invention the necessary adjustment for reached the use in the shunt branch.

Bei bekannten Strombegrenzern auf der Basis von Flüssigmetall erfolgt das Ansprechen infolge der Jouleschen Erwärmung bis zum Wechsel des Flüssigmetalls vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Die hierfür notwendige Energie ist bei adiabatischer Erwärmung ausschließlich von der Zusammen setzung des Flüssigmetalls und dem verbindenden Kanalquerschnitt abhängig. Würde unverändert auf den bekannten Stand der Technik zurückgegriffen, bedeutet dies, daß sowohl die Impulsstromhöhe als auch die Folgestromhöhe, bei welcher der Begrenzer quasi zwangsweise anspricht, durch den Kanalquerschnitt festgelegt wird. Eine effektive Netzfolgestrombegrenzung bei einer möglichst hohen Impulsstrom-Tragfähigkeit ist bei dem Ansatz nach dem Stand der Technik nicht realisierbar.at known current limiters based on liquid metal is the response as a result of Joule's warming until the liquid metal changes from the liquid in the gaseous Status. The one for this necessary energy is exclusively produced by adiabatic warming the composition of the liquid metal and the connecting channel cross section. Would unchanged to the known level the technology used, this means that both the pulse current level as also the following stream height, in which the limiter almost inevitably responds by the Channel cross section is set. An effective network sequence current limit at one possible high pulse current carrying capacity is not feasible in the approach of the prior art.

Auch die Übernahme des Einbringens von definierten Engstellen in den Querschnitt des Flüssigmetalls gemäß Stand der Technik ist für die erfindungsgemäßen speziellen Eigenschaften des Strombegrenzers nicht ohne Weiteres übernehmbar. Die bekannten Maßnahmen bewirken aufgrund der veränderten Stromdichte vor und im Bereich der Einengung sowie der nur begrenzten Benetzbarkeit der Engstellen mit Flüssigmetall zusätzliche Effekte im Bereich der Engstelle, wie z.B. Gasbildung oder Strömung, welche ein Ansprechen des Begrenzers deutlich unterhalb des Energieeintrags einer adiabatischen Erwärmung ermöglicht. Der vorstehende Effekt ist neben der gewählten Geometrie und der verwendeten Materialien, aber im Wesentlichen durch die Höhe des Stroms bzw. des Stromquadratwerts geprägt, so daß sich keine Ableitung zur Lösung des angestrebten differenzierten Verhaltens des Begrenzers zwischen Impuls- und Netzfolgeströmen ergibt.Also, the assumption of the introduction of defined bottlenecks in the cross section of the liquid metal according to the prior art for the specific properties of the current limiter according to the invention is not readily acceptable. The known measures cause due to the change in current density before and in the region of narrowing and the limited wettability of bottlenecks with liquid metal additional effects in the constriction, such as gas formation or flow, which German a response of the limiter below the energy input of adiabatic heating. The above effect is in addition to the selected geometry and the materials used, but essentially characterized by the height of the current or the current square value, so that there is no derivative for solving the desired differentiated behavior of the limiter between pulse and Netzfolgeströmen.

Es wurde erkannt, daß im Bereich der Impulsstrombelastung die Wirksamkeit der bei einer Engstelle auftretenden zusätzlichen Effekte reduziert bzw. verzögert werden muß, wohingegen im Bereich der Netzfolgeströme die Wirksamkeit der Engstelleneinbringung zu erhalten ist. Unter diesem Aspekt wäre ein Begrenzer optimal, der bei Impulsbelastung erst nach Erreichen der für eine adiabatische Erwärmung bis zum Verdampfen des Material notwendigen Energie anspricht, welcher bei einer Netzfolgestrombelastung hingegen aber möglichst ohne nennenswerten Verzug begrenzend wirkt.It it was recognized that in Range of the pulse current load the effectiveness of a bottleneck occurring additional Effects reduced or delayed must become, whereas in the area of network follow-on flows, the effectiveness of the bottleneck introduction to obtain is. In this aspect, a limiter would be optimal, the at momentum load only after reaching for adiabatic heating until to energy necessary for evaporating the material, which responds with a Netzfolgestrombelastung however however if possible without significant delay limiting acts.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß gegenüber Begrenzungseinrichtungen, welche für den Längszweig konzipiert sind, bei einer Kombination mit einer Funkenstrecke, welche bekanntlich im Querzweig, also zwischen zwei Leitern eingesetzt wird, nicht die Notwendigkeit besteht, einen bestimmten Dauerstrom als Nennstrom zu führen.It It should be noted at this point that, in which for the longitudinal branch when combined with a spark gap, which is known to be used in the transverse branch, ie between two conductors, there is no need to use a certain continuous current as Nominal current to lead.

Durch eine gezielte Gestaltung der Geometrie des Flüssigmetall-Strombegrenzers, insbesondere der Engstellen, kann das Ansprechen des Geräts, also das Verdrängen bzw. das Verdampfen des leitfähigen Materials aus den Engstellen trotz der hohen Peakwerte und der extrem hohen Stromquadratwerte bei Impulsbelastung verhindert werden, ohne daß auf eine Strombegrenzung bei Folgeströmen mit vergleichsweise geringer Amplitude verzichtet werden muß.By a targeted design of the geometry of the liquid metal current limiter, In particular, the bottlenecks, the device's response, so the repression or the evaporation of the conductive Materials from the bottlenecks despite the high peak values and the extreme high current square values are prevented at impulse load, without that on one Current limitation for subsequent currents must be dispensed with comparatively low amplitude.

Hierfür wird die Länge im Verhältnis zum Durchmesser der Engstellen größer als bei Begrenzungseinrichtungen für den Längszweig gewählt. Vorhandene Begrenzungseinrichtungen für den Längszweig besitzen in der Regel viele Engstellen mit einer Länge von nur wenigen Millimetern, um ein schnelles Ansprechen der Einrichtungen zu bewirken.For this purpose, the Length in the relationship to the diameter of the bottlenecks greater than limiting devices for the series branch selected. Existing Limiting devices for the longitudinal branch usually have many bottlenecks with a length of only a few millimeters to a quick response of the facilities to effect.

Um eine gute Strombegrenzung zu erreichen, werden bei diesen Elementen des Standes der Technik viele Lichtbögen in Reihe geschaltet.Around achieving a good current limit will be with these elements In the prior art many arcs are connected in series.

Wie dargelegt, wird für die erfindungsgemäße Anwendung der Flüssigmetall-Strombegrenzungseinrichtung ein Verhältnis von Engstellenlänge zu Engstellenradius von deutlich größer 1 gewählt. Die Anzahl der Engstellen in Reihe kann hingegen reduziert werden. Für die Anwendung bei 230 V Netzspannung ist bei mittlerer Strombegrenzung im Regelfall nur eine Engstelle erforderlich. Dies vereinfacht die Konstruktion erheblich und senkt die Kosten.As is set out for the application of the invention the liquid metal current limiting device a relationship from bottleneck length to Narrowing radius of significantly greater than 1 selected. The Number of bottlenecks in series, however, can be reduced. For the application at 230 V mains voltage is usually at medium current limit only one bottleneck required. This simplifies the construction considerably and lowers the cost.

Durch die längere Engstelle wird die benötigte Zeit bis zum Verdrängen des leitfähigen Materials aus der Engstelle erhöht und der Stromdichteverlauf im Bereich der Engstelle verändert. Die vorgestellte Konstruktion erlaubt eine lageunabhängige Benutzung des Ableiters.By the longer one Bottleneck becomes the needed Time to displace of the conductive Material increased from the bottleneck and the current density variation in the area of the bottleneck changed. The presented construction allows a location-independent use of the arrester.

Es wurde festgestellt, daß das Ansprechen der Engstelle im Rücken von langen Impulsen und somit die Unterbrechung der leitfähigen Verbindung des Begrenzers die Wiederverfestigung der Funkenstrecke nach dem Impuls und natürlich nach einem möglichen Folgestrom unterstützt.It it was found that the Response of the bottleneck in the back of long pulses and thus the interruption of the conductive connection of the Limiter the reconsolidation of the spark gap after the pulse and of course after a possible Followstream supported.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The Invention will be described below with reference to an embodiment and below With the help of figures closer explained become.

1 zeigt ein Diagramm mit prinzipiellem Verlauf von Strom und Spannung bei Belastung des Flüssigmetall-Strombegrenzungselements mit Impuls- und Netzfolgestrom. 1 shows a diagram with a basic course of current and voltage under load of the liquid metal current limiting element with pulse and Netzfolgestrom.

2 zeigt eine prinzipielle Schnittdarstellung durch ein lageunabhängiges Flüssigmetall-Strombegrenzungselement mit kompressiblen Volumina. 2 shows a schematic sectional view through a position-independent liquid metal current limiting element with compressible volumes.

Gemäß 1 führt der Impulsstrom mit einer hohen Stromamplitude beim Strombegrenzer nicht zur Lichtbogenbildung an der oder den Engstellen. Die Spannung über dem Begrenzer bleibt gering und wird durch den Bahnwiderstand und die Höhe des Impulsstroms bestimmt. Der anschließende Netzfolgestrom wird infolge der Lichtbogenbildung an der oder den Engstellen in seiner Höhe begrenzt. Die Amplitude des begrenzenden Folgestroms ist deutlich niedriger als diejenige des Impulsstroms. Die Lichtbogenspannung des Begrenzers erreicht bzw. übersteigt den momentanen Wert der Netzspannung.According to 1 The pulse current with a high current amplitude at the current limiter does not cause arcing at the throat or bottlenecks. The voltage across the limiter remains low and is determined by the track resistance and the magnitude of the pulse current. The subsequent net follower current is limited due to the arcing at the or the bottlenecks in height. The amplitude of the limiting follower current is significantly lower than that of the pulse current. The arc voltage of the limiter reaches or exceeds the instantaneous value of the mains voltage.

Gemäß 2 sind die Ausdehnungsräume und die Engstelle rotationssymmetrisch aufgebaut. Die Füllhöhe mit Flüssigmetall wird so gewählt, daß die Engstelle beispielsweise mit 1 mm überdeckt wird. Die Strombegrenzungseinrichtung kann hier beliebig gedreht werden. Neben der Engstelle befindet sich jeweils ein Verdichterraum, in welchen die Flüssigkeit nach dem Ansprechen der Engstelle gedrängt wird. Besitzen die Verdichterräume kein separates Gasvolumen, könnte bei extremen Belastungen die Druckerhöhung die Berstfestigkeit des Gehäuses übersteigen. Um dies auch bei einem unerwünschten Ansprechen bei Impulsbelastungen zu vermeiden, werden in die Verdichterräume Faltenbälge eingebracht, welche ein kompressibles Medium enthalten. Bei langen Engstellen ist des Weiteren die Einbringung von kompressiblem Material, Räumen bzw. Wänden in der Engstelle möglich.According to 2 the expansion chambers and the constriction are rotationally symmetric. The filling height with liquid metal is chosen so that the bottleneck is covered, for example, with 1 mm. The current limiting device can be rotated arbitrarily here. In addition to the bottleneck is located in each case a compressor room, in which the liquid is urged after the response of the bottleneck. If the compressor chambers do not have a separate gas volume, the pressure increase could be the bursting strength of the housing under extreme loads exceed. To avoid this even with an undesirable response to pulse loads, bellows are introduced into the compressor chambers, which contain a compressible medium. In the case of long bottlenecks it is also possible to introduce compressible material, spaces or walls in the bottleneck.

Um die Druckfestigkeit einer Anordnung gemäß 2 noch zu erhöhen und das Flüssigmetall vor der Einwirkung äußerer Felder zu schützen, wird vorgeschlagen, das isolierende Gehäuse des Flüssigmetall-Strombegrenzungselements zusätzlich mit einem Metallmantel oder Metallgehäuse zu versehen.To the compressive strength of an arrangement according to 2 To increase even further and to protect the liquid metal from the action of external fields, it is proposed to additionally provide the insulating housing of the liquid metal current limiting element with a metal jacket or metal housing.

Diese zusätzliche Ummantelung kann gleichzeitig die einfache Funkenstrecke umschließen oder eine Komponente dieser Funkenstrecke umfassen.These additional Sheath can simultaneously enclose the simple spark gap or comprise a component of this spark gap.

Besondere Aufmerksamkeit erfordert die Druckfestigkeit im Anwendungsfall, da bei einem Ansprechen insbesondere bei Impulsbelastungen extrem hohe Drücke auftreten können. Ein Ansprechen bei Impulsen soll zwar möglichst vermieden werden, jedoch ist dies bei Überlast und auch bei multiplen Entladungen nicht immer möglich.Special Attention requires the compressive strength in the application, because at a response especially at pulse loads extremely high pressures may occur. A pulse response should indeed be avoided as much as possible, however this is in case of overload and not always possible with multiple discharges.

Dies erfordert eine extrem druckfeste Gestaltung des Gehäuses und auch der einzelnen Verdichterräume zwischen bzw. neben den Engstellenbereichen, da Impulsströme aufgrund der extrem hohen treibenden Spannungen eingeprägt und nicht begrenzbar sind.This requires an extremely pressure-resistant design of the housing and also the individual compressor rooms between or next to the bottleneck areas, since pulse currents due to The extremely high driving voltages are impressed and not limited.

Um die Verdrängung des Flüssigmetalls zu ermöglichen, sollte daher die Konstruktion möglichst in bzw. neben jedem mit einem Lichtbogen belasteten Raum ein kompressibles Volumen enthalten. Die kompressiblen Volumina, wobei es sich hier auch ein kompressibles Medium, wie z.B. Luft handeln kann, sollten hier alles verdrängte Flüssigmetall aufnehmen können, um zu große Drücke in der Konstruktion zu vermeiden. Hierbei gilt: Vkompressibel ges ≥ VKanal + 2·AEngstelle·IVerdichterraum In order to allow the displacement of the liquid metal, therefore, the construction should preferably contain a compressible volume in or next to each room loaded with an arc. The compressible volumes, which can also be a compressible medium, such as air, should here be able to absorb all displaced liquid metal in order to avoid excessive pressure in the construction. Where: V compressible ≥ V channel + 2 · A bottleneck · I compressor room

Als kompressibles Volumen kann neben Hohlräumen z.B. ein gasgefüllter Schlauch oder ein Faltenbalg z.B. aus Metall vorgesehen sein. Ebenso sind elastische bzw. elastisch gelagerte Trennwände denkbar.When Compressible volume can be used in addition to cavities, e.g. a gas-filled hose or a bellows e.g. be provided of metal. Likewise are elastic or elastically mounted partitions conceivable.

Claims

Enclosed surge arrester for use as a low-voltage network spark gap with separate series-connected overvoltage functional units to provide a low level of protection and to limit line continuity, where the overvoltage response unit is designed as a spark gap, and the limit limiting unit Mains sequence currents in the normal state ensures a low-resistance, low-inductance connection to the connection potential; characterized in that the current limiting device has a different behavior in pulse current and Netzfolgegestomb load, such that it responds only in Netzfolgeströmen to limit this, for which purpose the current limiting device a pressure-resistant insulating housing with two connected by at least one elongated, acting as a constriction channel Chambers, in each chamber in an elastic or resilient enclosure or partition is a liquid metal befindlich, wherein the liquid metal fillings communicate via the channel and further between the enclosure and the respective chamber each have a compressible residual volume and two terminal electrodes, each with the associated amount of liquid metal are provided, are provided.

Enclosed surge arrester according to claim 1, characterized in that the current limiting device from an additional metallic housing is surrounded, which at the same time a component of the spark gap forms or absorbs them.

Enclosed surge arrester according to claim 1 or 2, characterized in that the ratio of Length of the Channel to diameter much larger than 1 is selected.

Enclosed surge arrester according to any one of the preceding claims. characterized, that this Compressible residual volume is designed in each case as a gas-filled tube or bellows.