-
Die
Erfindung betrifft einen gekapselten, druckfest ausgeführten blitzstromtragfähigen Überspannungsableiter
mit Netzfolgestromlöschvermögen, umfassend
zwei beabstandet isoliert gegenüberliegende
Hauptelektroden, gemäß Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
-
Zur
Erhöhung
der Stoßstromfestigkeit
von Überspannungsableitern
ist es aus der
DE
101 64 025 B4 vorbekannt, quasi parallele Ableiter zu nutzen.
Die hier parallel vorgesehene Funkenstrecke besitzt einen separaten
Druckausgleichsraum und separate Entlüftungen. Von beiden Funkenstrecken wird
nur der Kühlkörper gemeinsam
genutzt.
-
Bei
der Hörnerfunkenstrecke
nach
DE 102 31 431
A1 wird der Entladungsraum in mehrere parallele Kammern
aufgeteilt, welche quer zur Laufrichtung mit Durchbrechungen zum
Druckausgleich verbunden sind. Die dortigen Kammern dienen der Zündung von
parallelen Lichtbögen
und zur einheitlichen Druckbelastung bei leistungsstarken Impulsen.
-
Zum
bekannten Stand der Technik gehört
die Verlängerung
der Trennstrecke zwischen Hauptelektroden einer Funkenstrecke durch
leitende oder halbleitende Materialien. Ziel der Verlängerung
der Haupttrennstrecke ist es, das Folgestromlöschvermögen durch die Erhöhung der
Lichtbogenbrennspannung zu verbessern. Verwiesen sei hierzu auf die
DE 197 17 802 oder die
DE 196 19 223 .
-
Die
Verlängerung
des Lichtbogens ist bei den angestrebten kleinen Baugrößen der
Funkenstrecke nicht mehr ausreichend. Deshalb erfolgt bei dem geschilderten
Stand der Technik zusätzlich
eine Erhöhung
der Lichtbogenspannung, z.B. durch Eingrenzen des Lichtbogens und
durch radiales Beströmen
mit einem Gas.
-
Nachteilig
bei diesen vorbekannten Anordnungen ist es jedoch, dass der Lichtbogenkanal
für Impulsströme und Folgeströme identisch
ist. Dies führt
dazu, dass eine unabhängige
Dimensionierung für
die völlig
unterschiedlichen Strombelastungen nicht möglich ist.
-
Die
Kanäle
für die
Entladung müssen
einerseits möglichst
klein sein, um eine hohe Lichtbogenspannung bei Folgeströmen zu erreichen.
Andererseits sollten die Kanäle
einen möglichst
großen
Querschnitt besitzen, um die Lichtbogenspannung und damit den Leistungsumsatz
bei Impulsentladungen zu begrenzen. Dies ist einerseits aus Gründen der Reduzierung
der Belastung der Funkenstrecke notwendig und zum anderen, um einen
möglichst
niedrigen Schutzpegel sowie eine ausreichende Koordinationsfähigkeit
zu anderen Überspannungsschutzgeräten oder
Endgeräten
moderner Ableitermodule zu gewährleisten.
-
Zusätzlich werden
insbesondere bei Impulsbelastungen extrem hohe mechanische Anforderungen
an die eingesetzten Materialien gestellt, welche den minimalen Querschnitt
des Entladungskanals begrenzen.
-
Diese
Probleme führen
zu einer erheblichen konstruktiven Mehrbelastung und entsprechend
größeren Aufwendungen
bei der Herstellung von Funkenstrecken.
-
Zusammenfassend
lässt sich
aus dem Stand der Technik schlussfolgern, dass die Auslegung von Funkenstrecken
für die
entgegengesetzten Anforderungen bei Impulsbelastungen bei Folgestrombelastung
zwangsläufig
zu einem Kompromiss und damit nicht zu idealen Lösungen für die entsprechenden Belastungsfälle führen.
-
Aufgrund
der immer ausgeprägteren
Folgestrombegrenzung von Netzfunkenstrecken der vorgenannten Art
sind Lichtbogenbrennspannungen im Bereich der treibenden Netzspannung
erforderlich. Da eine unabhängige
Beeinflussung der Lichtbogenspannungen bei Impulsen und Netzfolgeströmen nur begrenzt
möglich
ist, führt
dies einerseits dazu, dass die Auslegung der Funkenstrecken sich
stark an den Anforderungen der Folgestrombelastung orientiert, und
andererseits dazu, dass bei Impulsbelastungen, also bei eingeprägten Strömen im kA-Bereich,
Lichtbogenspannungen entstehen, welche das Mehrfache der Spannung
bei Netzfolgestrom betragen können.
-
Diese
hohen Spannungen beeinträchtigen nicht
nur den Schutzpegel und die Koordinierbarkeit, sondern führen zu
einer erheblichen Belastung der Funkenstrecke. Dies betrifft neben
der dynamischen mechanischen Belastung auch den Leistungsumsatz.
Der erhöhte
Leistungsumsatz führt
zu einem erheblichen Abbrand der eingesetzten Materialien und bewirkt
einen an sich zu vermeidenden Verschleiß der Funkenstrecke.
-
Um
die Lichtbogenspannung bei Impulsbelastung von Funkenstrecken zu
reduzieren, wurde z.B. versucht, bei Impulsströmen eine sogenannte Düsenverstopfung
zwischen dem Entladungsbereich und dem Druckausgleichsbereich zu
bewirken oder bei Impulsbelastungen einen Gegendruck im Druckausgleichsbereich
zu erzeugen (siehe hierzu
DE
101 64 025 B4 ).
-
Die
vorgenannten Verfahren bewirken zwar eine Reduzierung der Lichtbogenspannung
bei Impulsbelastung, wodurch der Schutzpegel und die Koordinationsfähigkeit
zu anderen Geräten
gesichert werden kann, jedoch wird intern die Druckbelastung der
Funkenstrecke stark erhöht.
-
Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen gekapselten,
druckfest ausgeführten
blitzstromtragfähigen Überspannungsableiter mit
Netzfolgestromlöschvermögen, umfassend
zwei beabstandet isoliert gegenüberliegende
Hauptelektroden anzugeben, der in einfacher und kostengünstiger
Weise Möglichkeiten
zur unabhängigen
Beeinflussung der Lichtbogenspannungen bei Impulsentladung und Netzfolgeströmen schafft,
wobei außerdem die
mechanischen Belastungen der einzelnen Bauteile der Funkenstrecke,
insbesondere bei Impulsbelastungen reduziert sind.
-
Erfindungsgemäß wird dies
durch die Schaffung mehrerer getrennter paralleler Entladungskanäle innerhalb
eines oder mehrerer leitender bzw. halbleitender Distanzstücke zwischen
den Hauptelektroden der Funkenstrecken erreicht.
-
Es
erfolgt also durch die konstruktiven Maßnahmen eine Funktionstrennung
zwischen impulsförmigen
Entladungen und Belastungen durch netzfrequente Folgeströme innerhalb
einer Funkenstrecke. Insbesondere bei impulsförmigen Belastungen wird eine
Aufteilung des Lichtbogens in mehrere parallele Entladungskanäle innerhalb
der Funkenstrecke vorgenommen, wodurch eine starke Druckentlastung, eine
Begrenzung der Lichtbogenspannung bei Impulsbelastung und eine Reduzierung
des Verschleißes
möglich
sind.
-
Bei
netzfrequenten Folgeströmen
hingegen erfolgt die Entladung bevorzugt nur in einem Entladungskanal,
wobei durch die Wahl der Geometrie und des Materials dieses Kanals
die Lichtbogenspannung unabhängig
von der Belastung bei impulsförmigen
Entladungen beeinflussbar ist.
-
Die
Entladung bei impulsförmigen
Strömen mit
Anstiegszeiten im Bereich von wenigen μs besitzt unmittelbar nach der
Entstehung, also der Zündung der
Funkenstrecken, häufig
eine positive Strom-Spannungs-Charakteristik.
-
Diese
Charakteristik ermöglicht
eine Aufteilung des Entladungskanals in parallele Kanäle. Die erwähnte Charakteristik
resultiert u.a. aus dem hohen Spannungsbedarf und den Mechanismen
zur Bereitstellung von Ladungsträgern.
-
Bei
Luftfunkenstrecken unter Normaldruck ändert sich nach dem Beginn
der Entladung die Charakteristik des Lichtbogens recht schnell,
so dass im allgemeinen bereits nach wenigen μs sich die übliche negative Strom-Spannungs-Kennlinie
einer Bogenentladung einstellt.
-
Um
eine wirksame Entlastung einer Luftfunkenstrecke durch parallele
Kanäle
zu erreichen, wird erfindungsgemäß zu Beginn
der Entladung die schnelle Aufteilung in eine möglichst große Anzahl paralleler Kanäle unterstützt und
die positive Strom-Spannungs-Kennlinie über einen längeren Zeitraum erhalten bzw.
erzwungen.
-
Diese
Aufteilung wird durch das Einbringen von leitfähigen bzw. halbleitenden Materialien
mit parallelen Kanälen
in Form von Distanzstücken
oder Distanzkörpern
zwischen den Hauptelektroden unterstützt. Bei einer Ausführungsform
können
die Distanzstücke
auch aus einem isolierenden oder nichtleitenden Material bestehen.
-
Neben
der Potentialsteuerung und der Vorgabe der Entladungsstrecken bewirkt
das eingesetzte Material durch seine elektrische Leitfähigkeit
auch eine Absenkung der Restspannung bis zum Überschlag der Gesamtstrecken.
Hierdurch ergibt sich selbst bei langen Trennstrecken zwischen den
Hauptelektroden eine niedrige Restspannung und eine gute Koordinationsfähigkeit.
-
Das
Material und die Geometrie der Kanäle innerhalb des oder der Distanzstücke oder
Distanzkörper
wird dabei so gewählt,
dass zumindest bei impulsförmigen
Entladungen mit Strömen
im kA-Bereich eine Entladung mit positiver Strom-Spannungs-Charakteristik
selbst in Luft über
eine längere Zeitdauer
erzeugt wird.
-
Dies
wird dadurch erreicht, dass jedem Lichtbogen durch Einschnürung und/oder
Beblasung so viel Energie entzogen wird, dass sein Spannungsbedarf
stark ansteigt. Diese erzwungene Charakteristik der Entladung ist
die physikalische Voraussetzung, dass bei geometrisch parallelen
Kanälen
auch eine wirksame Aufteilung der Entladung über einen längeren Zeitraum erfolgt.
-
Bei
der ansonsten in Luft üblichen
negativen Strom-Spannungs-Charakteristik würde selbst bei geometrisch
vorhandenen parallelen Kanälen
keine längere
Aufteilung der Entladung erfolgen und somit keine sinnvolle Entlastung
der Funkenstrecke bzw. Reduzierung der Lichtbogenspannung möglich sein.
-
Um
eine positive Charakteristik des Lichtbogens in Luft bei Normaldruck
zu erzwingen, wird der Lichtbogen innerhalb der Funkenstrecke zumindest abschnittsweise
von einem sogenannten freibrennenden Lichtbogen in einen wandstabilisierten
Lichtbogen umgewandelt. Dabei wird dem Lichtbogen sehr viel Energie
entzogen, wodurch sein Spannungsbedarf bei steigender Stromstärke wächst.
-
Der
beschriebene Effekt hält
so lange an, bis der eingeprägte
Strom so weit absinkt, dass die Einschnürung und die Kühlung innerhalb
eines Kanals nicht mehr ausreichend ist.
-
Der
Teillichtbogen wandert oder springt von dem positiven Bereich der
Strom-Spannungs-Kennlinie
in den negativen Bereich und verlischt zwangsweise. Sinkt die Stromstärke weiter,
wiederholt sich dieser Vorgang bei weiteren Teillichtbögen, bis
nur noch ein Entladungskanal übrig
bleibt. Die Höhe
des Stromes, welche für
eine positive Strom-Spannungs-Charakteristik ausreicht, ist neben
den Umgebungsbedingungen, wie Druck, Gas, Elektrodenmaterial, von
der Kühlwirkung
des Kanals, d.h. der Geometrie, des Materials, der Wärmekapazität, der Gasabgabe
und der Oberfläche
abhängig.
-
Die
vorstehenden Maßnahmen
erlauben neben der Beeinflussung der Impulsentladung auch eine Beeinflussung
der Entladung bei Folgeströmen. Wird
eine sehr starke Kühlung
des Lichtbogens erreicht, ist auch hier eine Aufteilung von Folgeströmen im kA-Bereich
möglich.
-
Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt unter Rückgriff auf die vorstehenden
Erläuterungen
mit der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen darstellen.
-
Es
wird also zur Bildung einer Vielzahl von Entladungsstrecken zumindest
bei impulsförmigen Stoßstrombelastungen
im Raum zwischen den Hauptelektroden mindestens eine Distanzscheibe oder
ein Distanzkörper
aus einem leitfähigen
oder halbleitenden Material angeordnet, wobei die Distanzscheibe
oder der Distanzkörper
mehrere parallel verlaufende Kanäle,
konzentrische Ringspalte und/oder gewindeähnliche Nuten aufweist und
gegenüber
einer der Hauptelektroden isoliert ist.
-
Das
Distanzstück
oder der Distanzkörper kann
von beiden Hauptelektroden beabstandet und mit einer der Hauptelektroden
mittels eines Tragteils in elektrischer Verbindung stehend ausgebildet
werden.
-
Das
Tragteil kann an der gesamten Oberfläche der entsprechenden Distanzscheibe
oder des Distanzkörpers
anliegen und ebenfalls Kanäle, Ringspalte
und/oder Nuten aufweisen, deren Lage mit denjenigen in der Distanzscheibe
oder dem Distanzkörper
zur Bildung durchgehender Entladungsstrecken übereinstimmt.
-
An
der dem Tragteil gegenüberliegenden Oberfläche der
Distanzscheibe oder des Distanzkörpers
kann bei einer Ausführungsform
ein Isolationsteil mit Kanälen,
Ringspalten und/oder Nuten angeordnet sein, welches den Abstandsraum
zwischen der Hauptelektrode und Distanzscheibe oder Distanzkörper ausfüllt, wobei
die Kanäle,
Ringspalte und/oder Nuten der so gebildeten Stapelanordnung fluchten.
Bei dieser Ausführungsform
entsteht eine Funkenstrecke, bei welcher die Trennstrecke nicht als
Luftdurchschlagsfunkenstrecke, sondern als Gleitfunkenstrecke realisiert
ist.
-
Bei
einer weiteren Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, dass an oder auf
jeder der Hauptelektroden jeweils eine Distanzscheibe oder ein Distanzkörper vorgesehen
ist, wobei zwischen den beiden Scheiben ein Freiraum verbleibt.
-
Im
Raum zwischen den sich gegenüberliegenden
Distanzscheiben oder Distanzkörpern
der vorstehend erwähnten
Ausführungsform
kann mindestens eine isoliert eingeführte Zündelektrode angeordnet werden.
-
Eine
weitere Ausführungsform
ist von einer Vielzahl von Distanzscheiben getragen, die untereinander
und zu den Hauptelektroden beabstandet vorgesehen sind, wobei die
Kanäle,
Spalte und/oder Nuten benachbarter Distanzscheiben versetzt zueinander
verlaufen.
-
Hier
können
die Distanzscheiben elektrisch in Reihe geschaltet und gegenüber beiden
Elektroden isoliert ausgeführt
werden.
-
Bei
der Ausführungsform
einer Vielzahl von beabstandeten Distanzscheiben besteht die Möglichkeit,
in einer der Hauptelektroden isoliert eine Zündelektrode einzuführen bzw.
anzuordnen.
-
Zwischen
jeweils einem Paar der Menge von beabstandeten Distanzscheiben können Mittel
zur Ionisation und/oder Potentialsteuerung vorgesehen werden.
-
Zur
Erhöhung
der mechanischen Tragfähigkeit
kann zwischen den Distanzscheiben eine Anordnung von Stützelementen
erfolgen oder es können die
Distanzscheiben selbst integrale Stützelemente aufweisen.
-
Die
vorerwähnten
Distanzscheiben oder Distanzkörper
können
neben ihren leitenden oder halbleitenden Eigenschaften auch aus
einem gasabgebenden Material bestehen oder ein derartiges Material
aufweisen.
-
Bei
einer Ausführungsvariante
der Erfindung ist die Distanzscheibe oder der Distanzkörper von beiden
Hauptelektroden beabstandet angeordnet, wobei eine der Hauptelektroden
von einem leitenden oder halbleitenden, eine Reihenimpedanz bildenden Teller
abgedeckt ist und die Distanzscheibe oder der Distanzkörper mittels
eines Tragteils mit dem Teller in elektrischer Verbindung steht.
-
Ergänzend besteht
die Möglichkeit,
zwischen Tragteil und Teller einen oder mehrere Spalte auszubilden,
wobei die Hauptelektrode Fortsätze zum
Fixieren des Tragteils besitzt. Hier wird die vertikale Entladung
von der Hauptelektrode durch die Distanzscheibe mit einer horizontalen
Spaltentladung zwischen dem Teller und dem Tragteil kombiniert.
Die Abmessung des Spaltes liegt hier bei Werten unter im Wesentlichen
0,1 mm. Die Entladung im Spalt kann einerseits zur weiteren. Beeinflussung
der Lichtbogenspannung genutzt werden und es kann andererseits eine
kostengünstige
Reduktion des abbrandfesten Materials der betreffenden Hauptelektrode
erfolgen.
-
Bei
der Ausführungsform
eines Distanzkörpers,
der bei einer zylindrischen Überspannungsableiteranordnung
als Zylinderkörper
ausgeführt
sein kann, sind umlaufende Ringspalte vorgesehen, wobei der Distanzkörper auf
einer der Hauptelektroden auf- oder anliegt. In diesem Fall sind
in dieser Hauptelektrode Kanäle
oder Bohrungen befindlich, welche sich mit den Ringspaltaustrittsöffnungen
im Distanzkörper
in Deckung befinden.
-
Die
Kanäle
oder Bohrungen in der Hauptelektrode können dann in einen Entlüftungsspalt übergehen
oder mit einem solchen Entlüftungsspalt
in Verbindung stehen.
-
Zusammenfassend
wird mit der Erfindung ein blitzstromtragfähiger, gekapselter und druckfester Überspannungsableiter
für die
Anwendung im Niederspannungsnetz mit mindestens zwei Elektroden geschaffen,
wobei sich zwischen den Hauptelektroden mindestens ein elektrisch
leitfähiges
oder halbleitfähiges
Distanzstück
in Form einer Scheibe oder einem Distanzkörper mit mehreren parallelen
Entladungskanälen
befindet. Das Distanzstück
erzwingt zumindest bei impulsförmigen
Stoßstrombelastungen
eine Aufteilung der Entladung in mehrere separate und parallele
Kanäle.
-
Es
liegt im Sinne der Erfindung, den Überspannungsableiter auch druckdicht
im Sinne eines Gasableiters auszuführen.
-
Erfindungsgemäß tritt
die Aufteilung des Impulsstroms auf mehrere Kanäle bereits bei Werten ab ca.
1 kA ein, wobei hier von Impulsen 8/20 μs ausgegangen wird. Die Anzahl
der Kanäle
oder Durchgangsbohrungen liegt im Bereich von 5 bis 1000, wobei
bei angenommenen Durchgangslöchern
der Durchmesser im Bereich zwischen 0,1 mm und 2 mm hegt. Die Dicke
der Distanzscheiben und damit die Kanallänge liegt im Bereich von 2
mm bis 20 mm.
-
Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
-
Hierbei
zeigen:
-
1 eine
erste Ausführungsform
des Überspannungsableiters
mit einer von beiden Hauptelektroden beabstandeten Distanzscheibe;
-
2 eine
Ausführungsform
des Überspannungsableiters
mit zwei Distanzscheiben, die jeweils an oder in der Nähe der Hauptelektroden
befindlich sind;
-
3 eine
Ausführungsform
des Überspannungsableiters
mit Gleitfunkenstrecken;
-
4 eine
Ausführungsform
des Überspannungsableiters
mit einer Vielzahl von jeweils beabstandeten Distanzscheiben;
-
5 eine
Ausführungsform
des Überspannungsableiters
mit Distanzkörper,
der in seinem Inneren Ringspalte aufweist, die sich über die
gesamte Höhe
des Distanzkörpers
erstrecken;
-
6 eine
Draufsicht auf die Oberfläche
verschiedener Distanzscheiben, die erkennen lässt, welche unterschiedlichen
Formen die Kanäle
bzw. deren Querschnitte aufweisen können;
-
7 ein
Ausführungsbeispiel
eines Überspannungsableiters
mit einer Reihenimpedanz bezogen auf eine der Hauptelektroden;
-
8 eine
Ausführungsform ähnlich derjenigen
nach 7, jedoch mit zusätzlichem Ringspalt im Bereich
einer der Hauptelektroden;
-
9 Varianten
des Distanzkörpers
gemäß der Prinzipdarstellung
nach 5;
-
10 verschiedene
Darstellungen in Schnitt-, Drauf- und Teilschnittansicht eines zylindrischen
Distanzkörpers
mit mäanderförmigem Ringspaltkanal,
wobei Innenteil des Zylinders und Außenmantel aus verschiedenen
Materialien unterschiedlicher Leitfähigkeit bestehen können und
wobei die resultierende Kanallänge
bei gleichbleibender Zylinderhöhe über die
Steigung der Kanäle
einstellbar ist, und
-
11 eine
weitere Darstellung eines zylinderförmigen Distanzkörpers, wobei
im inneren Zylinderteil gewindeähnliche
Nuten eingebracht sind. Hier kann über die Steigung der parallelen
Nuten eine Einstellung der Kanallänge bei ansonsten konstanter
Zylinderhöhe
analog zu 10 erfolgen.
-
Gemäß den figürlichen
Darstellungen wird von einem gekapselten, druckfest ausgeführten blitzstromtragfähigen Überspannungsableiter
mit Netzfolgestromlöschvermögen ausgegangen,
umfassend zwei beabstandet isoliert gegenüberliegende Hauptelektroden 1 und 2.
-
Die
Hauptelektroden 1 und 2 sind von einem Isolierkörper 5 aufgenommen,
welcher wiederum von einem metallischen, druckfesten Gehäuse 6 umgeben
ist.
-
Zwischen
den Hauptelektroden 1 und 2 befindet sich eine
Distanzscheibe oder ein Distanzkörper 3 aus
einem leitenden oder halbleitenden Material mit linearer bzw. bevorzugt
nichtlinearer Kennlinie, welches mehrere Öffnungen bzw. Kanäle 31 kleinen Querschnitts
aufweist.
-
Das
Distanzstück 3 ist
mindestens gegenüber
einer der Hauptelektroden, gemäß 1 der Hauptelektrode 1,
isoliert.
-
Gemäß 1 befindet
sich eine gemeinsame Trennstrecke L1 zwischen der Hauptelektrode und
der Distanzscheibe 3.
-
Die
Distanzscheibe 3 ist über
ein leitendes oder halbleitendes Material 4 (Tragteil)
mit der Hauptelektrode 2 verbunden.
-
Die
Distanzscheibe 3 und das Tragteil 4 können dabei
auch durch ein einziges Teil realisiert werden.
-
Weiterhin
ist ein gemeinsamer Hohlraum 8 zwischen der Distanzscheibe 3 und
der Hauptelektrode 2 befindlich, welcher insbesondere bei
der Erzeugung von zusätzlichen
Gasen vorteilhaft ist.
-
Dieser
Raum dient dann auch als Sammelraum des Gases.
-
Eine
Entlüftungsöffnung 7 kleinen
Querschnitts zum Druckausgleich nach der Belastung ist ebenfalls
vorgesehen.
-
Es
können
alternativ hierzu einzelne Kanäle 31 bis
zur Hauptelektrode 2 geführt werden, wobei dann die
Entlüftung
im Bereich der Elektrode erfolgt. Ebenso ist eine Verbindung der
einzelnen Entladungskanäle
oder eine getrennte Entlüftung
denkbar.
-
Weiterhin
ermöglicht
die halbleitende bzw. leitfähige
Distanzscheibe 3 auch bei Funkenstrecken ohne Zündhilfe
eine elektrische Vorentladung mit Funkenbildung.
-
Bei
Erreichen der Ansprechspannung der Trennstrecke L1 erfolgt eine
Funkenbildung zwischen der Hauptelektrode 1 und der Distanzscheibe 3.
Danach gleiten häufig
bereits mehrere Vorentladungen entlang der Kanäle 31 bis zur Hauptelektrode 2 und
es erfolgt ein Überschlag
zwischen den Hauptelektroden 1; 2. Die Ausbildung
einer Entladung in mehreren Kanälen
kann über
den Restspannungsabfall über
der Distanzscheibe 3 und dem Tragteil 4 beeinflusst
werden.
-
Der
in 1 gezeigte Hohlraum 8 zwischen der Hauptelektrode 1 und
der Distanzscheibe 3 ermöglicht neben der Verteilung
der Ladungsträger
des Zündfunkens
auf mehrere Kanäle
auch einen Austausch von Ladungsträgern zwischen den einzelnen Kanälen 31 nach
Zündung
der Hauptstrecke. Dies fördert
bei entsprechender Charakteristik des Lichtbogens zusätzlich ein
schnelles und gleichmäßiges Zünden von
weiteren, parallelen Kanälen.
-
Sollte
trotz der vorstehend geschilderten Maßnahmen nur ein Kanal zünden, wird
einerseits aufgrund des hohen Spannungsbedarfs zu Beginn der Entladung
und zum anderen infolge der Einschnürung und Kühlung des Lichtbogens eine
positive U/I-Kennlinie des Lichtbogens bei ausreichend hohen Stromstärken selbst
in Luft erzwungen.
-
Vorstehendes
ermöglicht
die Bildung von parallelen Lichtbögen, deren Anzahl mit der Stromstärke des
eingeprägten
Stromes steigt. Hierdurch ist eine Verteilung des Impulsstroms auf
zahlreiche parallele Entladungskanäle innerhalb einer Funkenstrecke
in Luft möglich.
Wichtig insbesondere für
lang andauernde Entladungen ist hierbei, dass die positive Kennlinie
des Lichtbogens auch bei relativ kleinen Impulsströmen erhalten
bleibt.
-
Eine
auch bei lang andauernden Impulsentladungen stabile Lichtbogenaufteilung
erlaubt eine unabhängige
Dimensionierung der Kanalgeometrien bei Netzfolgeströmen.
-
Die
im Stand der Technik vorgenommene bisherige Dimensionierung einfacher
Kanalgeometrien bei Funkenstreckenableitern erfolgte nicht unabhängig von
der Belastungsart. Ein Entladungskanal mit großem Durchmesser oder Querschnitt
erlaubte zwar hohe Impulsbelastungen, führte jedoch nur zu einer geringen
Folgestrombegrenzung. Um bei einer gewünschten Impulsbelastbarkeit
eine ausreichend hohe Folgestrombegrenzung zu erreichen, wurde üblicherweise
der Entladungskanal verlängert.
Dies jedoch führt
zu einem hohen Leistungsumsatz und hohen Spannungen bei Impulsbelastungen.
-
Die
erreichte stabile Aufteilung der Impulsentladung erlaubt es nun,
die einzelnen Entladungskanäle
ausschließlich
nach den Anforderungen bei Folgestrom zu bemessen. Die Höhe der gewünschten
Impulsbelastbarkeit ist über
das Material, die Anzahl der parallelen Kanäle bei Berücksichtigung der Abmessung
der Funkenstrecke einstellbar.
-
Bei
der Wahl der Kanalgeometrie (siehe 6) werden
weiterhin die Grundfunktionen des Überspannungsableiters berücksichtigt.
Hierzu gehört
eine Begrenzung der Restspannungshöhe und -dauer bis zum Ansprechen
der Funkenstrecke, um eine entsprechende Koordinierbarkeit des Ableiters zu
gewährleisten.
-
Diese
Werte werden auch durch das Material der Distanzscheibe oder des
Distanzkörpers 3 und die
Länge des Überschlagswegs
bestimmt. Die Distanzscheibe aus leitfähigem bzw. halbleitendem Material
wirkt sich hierbei sowohl positiv auf die Steuerung der Restspannung
bis zum Überschlagen
der Hauptstrecke als auch auf die Aufteilung der Entladung insbesondere
bei Luftfunkenstrecken aus.
-
Bei
hohen Kanallängen
kann unter Umständen
die Überschlagsdauer
zu stark verzögert
werden. Für
Einsatzfälle,
bei denen dies kritisch ist, wird das Distanzstück oder die Distanzscheibe
in mehrere, in Reihe geschaltete Teilstücke aufgeteilt. Dies führt bereits
aufgrund der stärkeren
Inhomogenität zu einer
Verbesserung. Zusätzlich
können
zwischen den einzelnen Distanzstücken
Hilfsfunkenstrecken eingebracht werden, welche eine Ionisierung
bewirken.
-
Die
vorstehend geschilderte Variante der Aufteilung des Distanzkörpers oder
der Distanzscheibe 3 bietet auch die Möglichkeit, die Bildung eines durchgängigen Entladungskanals
bewusst zu verzögern,
z.B. durch eine versetzte Anordnung der Durchgangskanäle (siehe 4).
-
Bei
hohen Folgeströmen
im kA-Bereich, welche z.B. bei erhöhten Netzspannungen auftreten können, ist
es möglich,
diese ebenfalls in parallele Lichtbögen aufzuteilen und somit die
Belastung einzelner Entladungskanäle zu reduzieren.
-
Bei
einer Dimensionierung der Kanäle
mit sehr kleinen und/oder langen Kanälen kann auch auf eine zusätzliche
Gasabgabe, wie sie ansonsten üblich
ist, verzichtet werden. Damit können
die entstehenden Drücke
innerhalb der Funkenstrecke und der resultierende Verschleiß verringert
werden.
-
Gemäß 2 wird
ein Ausführungsbeispiel gezeigt,
bei welchem beide Hauptelektroden 1 und 2 mit
einer Distanzscheibe 3 versehen sind.
-
In
der figürlichen
Darstellung berühren
sich die jeweiligen Hauptelektroden 1 und 2 mit
den jeweiligen Distanzscheiben 3, was jedoch nicht zwingend erforderlich
ist.
-
Der
Hohlraum 8 befindet sich hier zwischen den beiden Distanzscheiben 3.
-
In
diesem Hohlraum 8, welcher gleichzeitig die Haupttrennstrecke
der Hauptelektroden 1 und 2 bildet, ist beispielhaft
eine dritte, Zündelektrode 9 integriert,
die der externen Zündung
der Funkenstrecke dient.
-
3 zeigt
eine Funkenstrecke, bei welcher die Trennstrecke nicht als Luftdurchschlagsfunkenstrecke,
sondern als Gleitfunkenstrecke ausgebildet ist.
-
Hierfür besitzt
das Isolationsmaterial 10 jeweils oberhalb eines Kanals 31 der
Distanzscheibe 3 eine Öffnung,
welche einen Gleitüberschlag
zwischen der Hauptelektrode 1 und der Distanzscheibe 3 ermöglicht.
-
Die
Distanzscheibe 3 wird bei dieser Ausführungsform elektrisch leitfähig mit
der Hauptelektrode 2 über
das Tragteil 4 verbunden.
-
Das
Tragteil 4 kann hier auch als Metallteil mit hoher Leitfähigkeit
oder, wie bei der Ausführung nach 1,
als Teil mit geringer elektrischer Leitfähigkeit oder halbleitend ausgeführt sein.
-
Das
Tragteil 4 besitzt unterhalb der Kanäle 31 der Distanzscheibe 3 ebenfalls
Kanäle 31,
welche einen direkten Durchgang von der Distanzscheibe 3 zum Hohlraum 8 ermöglichen.
-
Ein
entstehender Lichtbogen wird somit von der Hauptelektrode 1 bis
zur Hauptelektrode 2 verlängert.
-
Die
Entlüftung
des Hohlraums 8 erfolgt hier wiederum über einen oder mehrere Kanäle 7 kleinen Querschnitts.
-
Die
Kanäle 31 in
den Elementen 3, 4 und 10 sind beispielhaft
als Bohrungen dargestellt.
-
4 stellt
eine Anordnung mit einer Reihenschaltung von mehreren elektrisch
leitenden bzw. halbleitenden Distanzscheiben 3 zwischen
den Hauptelektroden 1 und 2 dar.
-
Die
Hauptelektrode 1 ist hier mit einer zentral ausgeführten dritten
Zündelektrode 11 versehen, welche
von der Hauptelektrode 1 durch das Teil 12 hochohmig
getrennt ist.
-
Die
Hauptelektrode 1 ist von dem am nächsten liegenden Distanzscheibenteil 3a durch
ein isolierendes Teil 5a und dem Abstand L1 getrennt.
-
Die
Kanäle 31 der übereinander
liegenden und beabstandeten Distanzscheiben 3 sind gegeneinander
versetzt.
-
Zwischen
den Distanzscheiben 3 können sich
Einrichtungen zur zusätzlichen
Ionisation des Zwischenraums befinden. Diese Einrichtungen können den Überschlag
zwischen den Hauptelektroden 1 und 2 beschleunigen.
-
Zwischen
den Distanzscheiben 3a und 3b befinden sich auf
dem Isolationsteil 13 zwei leitende bzw. halbleitende Schichten 14,
welche durch eine minimale Strecke mit erhöhtem Widerstand bzw. eine isolierende
Strecke getrennt sind. Diese Strecke ist so ausgelegt, dass sie
bereits bei geringen Spannungen überschlägt. Die
damit verbundene Funkenbildung ionisiert den Zwischenraum zwischen
den Distanzscheiben 3a und 3b.
-
Zwischen
den Distanzscheiben 3b und 3c wird zwischen zwei
elektrisch leitenden bzw. halbleitenden Teilen 15 eine
Isolationsstrecke oder eine Strecke erhöhten Widerstands 16 angeordnet.
Diese besitzt die gleiche bereits beschriebene Funktion der Ionisation
des Raumes zwischen den Distanzscheiben 3b und 3c.
-
Zwischen
den Distanzscheiben 3c und 3d befindet sich ein
elektrisch leitendes bzw. halbleitendes Material 4, was
bei Spannungsbelastung zu einem schnellen Gleitüberschlag neigt. Weiterhin
besteht eine Verbindung zwischen dem Teil 4 und der Hauptelektrode 2.
-
Bei
geringen Distanzen der Scheiben 3 kann das Teil 4 auch
isoliert ausgeführt
sein. Hier ist darauf zu achten, dass die Ansprechspannung der Gesamtfunkenstrecke
nicht wesentlich erhöht
wird.
-
Gemäß 4 erfolgt
die Entlüftung
der Anordnung wiederum über
einen Kanal kleinen Querschnitts 7.
-
Wird
das Material der Distanzscheiben 3 so gewählt, dass
eine zusätzliche
Gasabgabe erfolgt, oder sollen sehr hohe Belastungen beherrscht
werden, kann in den Zwischenräumen
zwischen den einzelnen Distanzscheiben 3 bereits eine Entlüftung vorgesehen
sein. Diese kann seitlich innerhalb, durch oder zwischen den Teilen 5 und 6 erfolgen.
-
Diese
betreffenden Entlüftungskanäle können dabei
separat oder zusammengeführt
verlaufen. Die Ausführung
des oder der Entlüftungskanäle aus dem
Gehäuse
kann auch an der Stirnseite oder der Zylinderwand erfolgen.
-
Zur
mechanischen Stabilisation besteht die Möglichkeit, die Distanzscheiben 3 durch
Stützelemente
zwischen den Scheiben zu ergänzen.
Diese Stützelemente
können
aber auch integrale Bestandteile der Distanzscheiben 3 sein
oder aus einem separaten Teil mit divergierenden Materialeigenschaften,
z.B. isoliert ausgeführt
werden. Werden derartige Stützelemente
realisiert, können
auch diese mit geeigneten Mitteln zur Ionisation der Zwischenräume ausgestattet
werden.
-
5 zeigt
eine Ausführungsvariante,
bei welcher die Entladung nicht in durchgängigen Bohrungen durch eine
Distanzscheibe, sondern zwischen umlaufenden Ringspalten 17 eines
Distanzkörpers 3 erfolgt.
Die einzelnen Ringspalte 17 werden jeweils in separaten
Kanälen
18 im oder durch die Hauptelektrode 2 entlüftet. Der
Distanzkörper 3 kann
gemäß den Varianten
nach den 9 bis 11 realisiert
werden.
-
6 zeigt
verschiedene Draufsichten der Distanzscheiben 3. Hier ist
die Vielfalt der Gestaltungsvarianten erkennbar. Die entsprechenden
Kanäle 31 können z.B.
schlitzförmig
oder als Bohrungen ausgeführt
werden. Auch sind zum Mittelpunkt orientierte Spalte 33 oder
konzentrische Ringspalte 32 denkbar. Entscheidend ist,
dass der Entladungskanal mindestens in der x- oder y-Richtung stark
eingeengt ist. Diese Einengung und das Material bestimmen dann im
Wesentlichen die erreichbare elektrische Feldstärke des Lichtbogens. Über die
Länge des
Kanals (z-Richtung) kann die benötigte
Lichtbogenspannung eingestellt werden. Die einzelnen Entladungskanäle 32 (Ringspalte)
können
zur Ionisierung und zum Druckausgleich miteinander verbunden (34) sein.
-
Bei
der Ausführungsform
gemäß 7,
die im Wesentlichen derjenigen nach 1 entspricht, ist
die zweite Hauptelektrode 2 von einem tellerförmigen Teil 19 abgedeckt.
-
Das
Material dieses Tellers 19 ist elektrisch leitend oder
halbleitend, bevorzugt mit nichtlinearer Kennlinie, und stellt eine
Reihenimpedanz für
den Lichtbogen dar.
-
Der
Teller 19 kann zudem genutzt werden, um einen zusätzlichen
Spannungsabfall zu erzeugen.
-
Vorteilhafterweise
besteht der Teller 19 aus einem Material, welches insbesondere
bei Impulsbelastung zu keinem konzentrierten Fußpunktverhalten des Lichtbogens
neigt. Dies reduziert den Abbrand der Hauptelektrode 2 und
erlaubt dann dort den Einsatz von preisgünstigeren Materialien. Geeignete Materialien
für den
Teller 19 sind z.B. solche Materialien, die einen hohen
Schmelzpunkt aufweisen, Verbundmaterialien mit Komponenten mit hohem Schmelzpunkt
oder Materialien, welche keinen konzentrierten Lichtbogenfußpunkt dauerhaft
ermöglichen,
wie z.B. die meisten elektrisch leitfähigen Polymere.
-
Alternativ
zu elektrisch leitenden Materialien sind auch hochohmige bzw. isolierende
Materialien mit einer gewissen Porosität möglich, welche die Entladung
dann in Form einer diffusen Entladung durch die poröse Schicht
erlauben.
-
8 zeigt
eine Ausführungsform ähnlich derjenigen
nach 7 mit einer abgedeckten Hauptelektrode 2,
bei welcher das Material des Tellers 20 dem des Tellers 19 gemäß 7 entsprechen
kann, jedoch alternativ auch aus einem dichten hochohmigen bzw.
Isolationsstoff besteht.
-
Die
Hauptelektrode 2 besitzt bei dieser Ausführungsform
beispielhaft zusätzlich
senkrechte Fortsätze 2a.
-
Zwischen
dem Tragteil 4 und dem Teller 20 befindet sich
ein umlaufender Spalt 200 oder es sind mehrere parallele
abschnittsweise Spalte vorgesehen.
-
Das
Material des Tragteils 4 kann elektrisch leitend oder halbleitend
gewählt
werden.
-
Bei
geringen Distanzen zu der Distanzscheibe 3 ist auch eine
isolierende Ausführung
des Tragteils 4 möglich.
Entscheidend ist, dass nur eine Trennstrecke L1 oder die Strecke
Fortsatz 2a zur Distanzscheibe 3 das Ansprechverhalten
bei einer nicht getriggerten Funkenstrecke dominiert. Es ist alternativ
auch eine vertikale Schichtung der Fortsätze 4 aus verschiedenen
Materialien denkbar.
-
Die
vertikale Entladung von der Hauptelektrode 1 durch die
Distanzscheibe 3 wird durch den Teller 20 mit
einer horizontalen Spaltentladung zwischen dem Teller 20 und
dem Tragteil 4 kombiniert. Die Abmessung des Spaltes liegt
hierbei bei Werten unter 0,1 mm.
-
Die
Entladung im Spalt 200 kann einerseits zur weiteren Beeinflussung
der Lichtbogenspannung genutzt werden und andererseits kann eine
kostengünstige
Reduktion des abbrandfesten Elektrodenmaterials vorgenommen werden.
Zudem ist auch eine mechanische Funktionstrennung der quasi zusammengesetzten
Hauptelektrode 2 möglich.
-
Die
Kombination mit einer Spaltentladung beschränkt sich nicht auf die dargestellte
Ausführungsform.
Alternativ kann eine horizontale (radiale) Spaltentladung durch
eine vertikale (axiale) Spaltentladung ersetzt werden. Des Weiteren
ist eine Kombination von vertikaler und horizontaler Entladung möglich wobei
die notwendige Umlenkung der Entladung zu einer weiteren Erhöhung des
Spannungsabfalls führt.
-
9 zeigt
eine weitere Variante der in 5 dargestellten
Ausführungsform
eines Distanzkörpers,
und zwar als Zylinder im Inneren der Funkenstrecke.
-
Die
Varianten 1 und 2 sind hier gekennzeichnet von einem unteren Zylinderteil 301 und
einem oberen Zylinderteil 302.
-
Gemäß Variante
1 weist der untere Zylinder 301 eine kreisrunde Nut 303 zwischen
den beiden Ringschlitzen 304 auf. Die Ringschlitze oder
Ringnuten 304 besitzen einen unterschiedlichen Durchmesser
zur Gasumlenkung.
-
Denkbar
sind auch eine oder mehrere Verbindungsnuten 306 gemäß Variante
2.
-
Zwischen
den beiden Zylindern 301 und 302 können sich
auch, wie in der 4 prinzipiell dargestellt, Zündhilfen
befinden.
-
Bei
der Ausführungsform
eines zylinderförmigen
Distanzkörpers 3 nach 10 ist
ein mäanderförmig verlaufender
Kanal 307 vorgesehen. Die Mäanderstruktur verläuft hier
in axialer Richtung.
-
Der
Innenteil 308 des Zylinders kann aus einem anderen Material
als der Außenteil 309 bestehen.
Hier können
Materialien unterschiedlicher Leitfähigkeit gewählt werden.
-
Die
resultierende Kanallänge 307 kann
bei gleichbleibender Zylinderhöhe über die
Steigung, d.h. den Mäanderverlauf
eingestellt werden.
-
Der
Zylinder für
den Distanzkörper
nach 11 weist wiederum ein Außenteil 309 und ein
Innenteil 308 auf.
-
Im
Innenteil 308 sind gewindeähnlich verlaufende Nuten 35 vorhanden,
die von der Oberseite bis zur Unterseite des Distanzkörpers 3 verlaufen. Über die
Steigung der im Wesentlichen parallel verlaufenden Nuten 35 ist
eine Einstellmöglichkeit
der Kanallänge
bei konstanter Zylinderhöhe
gegeben.