-
Die
Erfindung betrifft eine gekapselte, druckfest ausgeführte,
nicht hermetisch dichte Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet
gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse,
einem vom Außengehäuse umgebenen Gas- oder Plasma-Abkühlraum
sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlußkontakten
für die Hauptelektroden gemäß Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
-
Bei Überspannungsableitern
auf der Basis von Funkenstrecken gemäß dem Stand
der Technik werden diese bei Anwendungen im Niederspannungsbereich
gekapselt ausgeführt, um das die Umgebung gefährdende
Ausblasen von heißen oder noch ionisierten Gasen zu vermeiden.
-
Bei
zum älteren Stand der Technik gehörenden ausblasenden
Ableitern wird der größte Teil des Energieumsatzes
bis ca. 90% in Form von heißem Gas an die Umgebung abgegeben.
Es ist offensichtlich, dass durch das Vermeiden des Ausblasens bei modernen
Funkenstrecken sowohl die thermische als auch die dynamische Belastung
ansteigt. Diese steigenden Belastungen erschweren bei gekapselten Ableitern
die notwendige Beherrschung hoher Impuls- und Folgeströme
bei möglichst geringer Baugröße.
-
Zur
Realisierung niedriger Schutzpegel im Bereich weniger kV werden
die Ableiter mit zusätzlichen Triggereinrichtungen versehen.
Eine solche Triggereinrichtung erfordert eine Isolation der zusätzlichen,
im allgemeinen mit Hochspannung belasteten weiteren Elektrode. Der
Mehraufwand an Bauraum und die zusätzlichen Isolationsmaterialien
führen ebenfalls zu einer weiteren Einschränkung
der Leistungsfähigkeit derartig realisierter Ableiter.
-
Gemäß der
DE 100 08 764 A1 und
der dort gezeigten gekapselten Funkenstrecke ist es bekannt, das
Triggerpotential über die metallische Gehäuseummantelung
der Funkenstrecke zuzuführen. Die dort vorgesehenen Hauptelektroden
werden isoliert gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse
in die Funkenstrecke eingebracht. Aufgrund der geringen Lichtbogenlänge
und der nur einfachen Aufteilung des Lichtbogens kann mit dieser
Lösung des Standes der Technik jedoch nur eine geringe
Folgestrombegrenzung erreicht werden.
-
Bei
dem gekapselten Ableiter nach
DE 100 18 012 A1 wird das Potential der Zündelektrode ebenfalls über
den druckfesten metallischen Mantel der Funkenstrecke zugeführt.
Der dortige druckfeste Mantel ist aus einem Stück gefertigt
und es wird zur Herstellung auf ein einfaches Umformverfahren zurückgegriffen.
Der Verzicht auf eine isolierte Durchführung des Zündpotentials
führt bei dieser Variante jedoch zu einem Mehraufwand an
Isolation im Inneren der Funkenstrecke, da beide Elektroden nicht
nur gegeneinander, sondern auch gegenüber dem gesamten
Gehäuse isoliert sein müssen. Neben dem höheren
Platzbedarf wird durch die aufwendige und spannungsfeste Isolation
insbesondere auch die Wärmeabgabe aus der Funkenstrecke
behindert. Dies führt zu einer erhöhten thermischen
Belastung der Isolationsteile, zu langen Abkühlzeiten und
zu einer enormen Einschränkung des für die Funkenstrecke
zur Verfügung stehenden Raums. Alle diese Nachteile begrenzen
letztendlich die Leistungsfähigkeit der Funkenstrecke.
-
Dann,
wenn zur Verbesserung bestimmter Parameter einer Funkenstrecke eine
zusätzliche Abgabe von Hartgas erfolgt, entsteht ein hoher
Energieumsatz, der neben der thermischen Belastung zu einer weiteren
Erhöhung bzw. einer dynamischen Druckbelastung sowohl bei
Impuls- als auch bei Folgeströmen führt.
-
In
der
DE 101 64 025
A1 ist eine gekapselte triggerbare Funkenstrecke gezeigt,
welche nach dem Radax-Flow-Prinzip arbeitet. Bei dieser Lösung
des Standes der Technik wird das vorhandene quaderförmige
Gehäuse der Funkenstrecke zur Kühlung der heißen
Gase verwendet. Die Zuführung zur Triggerelektrode erfolgt
durch die Isolationsteile der zweiten, gegenüber dem Gehäuse
isolierten Hauptelektrode. Eine derartige Variante ist aufgrund
der geometrischen Ausführungsform des Gehäuses
sehr aufwendig und schränkt den Platz des aktiven Lichtbogenbereichs
gegenüber dem Bereich zur Abkühlung der Gase erheblich
ein.
-
Die
vorstehend kurz gewürdigten Lösungen des Standes
der Technik umfassen blitzstromtragfähige Niederspannungs-Luftfunkenstrecken,
welche aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus eine an sich hohe Druckfestigkeit
besitzen.
-
In
der
EP 0 305 077 A1 wird
eine Funkenstrecke geringerer Leistungsfähigkeit vorgestellt,
bei welcher eine Triggerelektrode durch den aus Isolationsmaterial
bestehenden Außenmantel einer Funkenstrecke hindurchgeführt
wird. Diese, nicht blitzstromtragfähige Funkenstrecke besitzt
geringe Hauptelektrodenabstände und keine Mittel zur Erhöhung
der Lichtbogenspannung. Der Leistungsumsatz und damit die einhergehende
thermische und dynamische Belastung dieser Funkenstrecke des Standes der
Technik ist unzureichend. Für den Einsatz in Niederspannungsnetzen
ist eine derartige Funkenstrecke ungeeignet. Die dynamische Belastbarkeit
des dortigen Gehäuses und der Durchführung der
Triggerelektrode ist ebenfalls gering.
-
Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte,
gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte
Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden
Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse,
gegebenenfalls vorgesehener Triggerelektrode, einem vom Außengehäuse
umgebenen Gas- oder Plasma-Abkühlraum sowie bevorzugt stirnseitig
angeordneten elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden
anzugeben, wobei die Funkenstrecke eine von der jeweiligen Druckentwicklung
abhängige Leistungsentfaltung und eine hohe Lebensdauer
aufweisen soll.
-
Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Funkenstrecke
gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch
1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige
Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
-
Die
erfindungsgemäße gekapselte, druckfest ausgeführte,
nicht hermetisch dichte Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet
gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen
Außengehäuse, einem vom Außengehäuse
umgebenen Gas- oder Plasma-Abkühlraum sowie bevorzugt stirnseitig
angeordneten elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden
weist einen Lichtbogenbrenn- und Ausbreitungsraum auf, welcher sich zwischen
den Hauptelektroden erstreckt. Dieser Lichtbogenbrenn- und Ausbreitungsraum
ist in seiner Querrichtung geteilt ausgeführt, wobei im
Teilungsbereich Mittel zum druckabhängigen Verbinden der Teilräume
angeordnet sind.
-
Hierfür
besteht die Möglichkeit, im Lichtbogenbrenn- und Ausbreitungsraum
einen Querboden vorzusehen, welcher Sollbruchstellen aufweist. Ebenso
kann der Querboden ein oder mehrere Ventile besitzen, die sich bei
Druckanstieg selbsttätig öffnen, so dass die beiden
Teilräume miteinander in druckausgleichende Verbindung
gelangen und letztendlich das Gas in die Lage versetzt ist, in den
Gas- oder Plasma-Abkühlraum zu gelangen.
-
Der
im Lichtbogenbrenn- und Ausbreitungsraum vorgesehene Querboden kann
auch mindestens eine Bohrung geringen Durchmessers und/oder Schlitze
aufweisen, die dem Gas einen überwindbaren Strömungswiderstand
entgegensetzen. In die vorerwähnte Bohrung kann ein Verschlusspfropfen eingesetzt
werden, der bei Druckanstieg aus der Bohrung herausgepresst wird
und diese vollständig freigibt.
-
Der
Querboden kann bei einer Ausführungsform der Erfindung
Teil eines den Lichtbogenbrennraum radial umschließenden
Hohlkörpers aus einem leitfähigen, gasabgebenden
Material sein. Dieser Querboden kann in den vorerwähnten
Hohlkörper aus leitfähigem, gasabgebendem Material
eingesetzt sein.
-
Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Abkühlraum
aus einer koaxialen, becherförmigen Anordnung, wobei eine
der Hauptelektroden als hohlzylindrische Ausblaselektrode ausgebildet
ist und in die becherförmige Anordnung hineinreicht. Die becherförmige
Anordnung weist Druckausgleichsöffnungen auf. Die Ausblaselektrode
steht an ihrer zur Gegenelektrode weisenden Oberseite mit dem Querteilungsmittel
in Verbindung und es umfasst die Unterseite der Ausblaselektrode
seitliche Gasaustrittsöffnungen, die zum Abkühlraum
führen. Das vorerwähnte Querteilungsmittel kann
als ein Querboden ausgeführt werden, der in den oben offenen
Abschnitt der hohlzylindrischen Ausblaselektrode einsetzbar ist.
Dieser Querboden kann wie auch bei den vorangehend geschilderten
Ausführungsformen Sollbruchstellen, ein Ventil oder einen
bei Druckanstieg sich lösenden Pfropfen umfassen.
-
Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
sowie einer Figur näher erläutert werden.
-
Die
Figur zeigt hierbei eine Prinzipschnittdarstellung einer Hochleistungsfunkenstrecke,
welche druckfest ausgeführt ist und die zwei beabstandete, gegenüberliegende
Hauptelektroden sowie ein metallisches Außengehäuse
umfasst.
-
Wie
aus der Figur ersichtlich, ist innerhalb des metallischen Außengehäuses 1 eine
erste Hauptelektrode 2 und eine gegenüberliegende
zweite Hauptelektrode 3 befindlich. An den Hauptelektroden 2 und 3 schließen
sich elektrische Anschlusskontakte 5 und 6 an.
-
Mindestens
eine der Hauptelektroden (im gezeigten Beispiel Hauptelektrode 3)
ist isoliert im Außengehäuse 1 fixiert.
-
Wenn
notwendig, besteht die Möglichkeit, in den Lichtbogenbrennraum 7.1 eine
Triggerelektrode 12 hineinzuführen, die mit einem
isolierten Anschlusskontakt 13 in Verbindung steht.
-
Der
Lichtbogenbrennraum 7.1 ist von einem Hohlkörper 34 sowohl
radial als auch in axialer Richtung begrenzt.
-
Dieser
Hohlkörper 34 kann aus einem leitfähigen,
gasabgebenden Material, z. B. aus POM, aber auch aus einem halbleitenden
oder leitenden Material bestehen.
-
Bevorzugt
im unteren Bereich weist der Hohlkörper 34 eine
Einengung oder einen geschlossenen Boden 40 auf, der den
Hohlraum des Lichtbogenkanals 7.1 von dem darunter liegenden
Brenn- und Ausbreitungsraum 7.2 vollständig oder
partiell abtrennt.
-
In
der Zeichnung nach der Figur ist im Boden 40 eine Öffnung 41 befindlich,
die von einem nicht dargestellten Pfropfen verschlossen werden kann, wobei
bei Druckanstieg im Raum 7.1 der Pfropfen die Bohrung oder Öffnung 41 verlässt
und den Durchgang zum Raum 7.2 freigibt.
-
Die
Hauptelektrode 2 ist als Ausblaselektrode 9 mit
seitlichen Gasaustrittsöffnungen 11 ausgeführt.
Darüber hinaus umschließt den Abkühlraum 4 radial
eine koaxiale becherförmige Anordnung 8, die einen
im Wesentlichen mäanderförmig verlaufenden Durchströmkanal
zum Druckausgleich bildet. Druckausgleichsöffnungen 10 befinden
sich am unteren Ende der dargestellten Funkenstrecke, und zwar in Form
von beispielhaften Ringspalten. Die Höhe des Bodens 40 ist
im Vergleich zur Höhe des gesamten gasabgebenden Teils 34 gering
und liegt ca. im Bereich von 0,2 mm bis 2 mm. Dieser Boden 40 kann geschlossen
oder mit einer Bohrung oder Schlitzen versehen sein. Der Boden und
das gasabgebende Teil 34 können einstückig,
aber auch zweistückig ausgebildet werden. Der Boden muss
hierbei nicht aus demselben Material wie das gasabgebende Teil 34 bestehen,
sondern kann mit Blick auf die beabsichtigten Sollbrucheigenschaften
eine entsprechende Spezifikation besitzen.
-
Am
Rand des Bodens 40 können Sollbruchstellen vorgesehen
sein.
-
Durch
die vorstehend erläuterte Gestaltung wird es möglich,
selbst Impulsströme der Form 8/20 μs von mehreren
hundert Ampere bis wenigen kA über die Stromleitung das
gasabgebenden Materials, und zwar ohne Zündung der Hauptfunkenstrecke
abzuleiten. Diese Ströme decken bereits einen beachtlichen
Teil der Störgrößen ab und entsprechen
dem Leistungsvermögen eines Endschutzgeräts. Die Höhe
dieser Impulsströme, welche, bei Vermeidung eines Netzfolgestroms,
durch die Funkenstrecke abgeleitet werden können, kann
durch das Material und die Geometrie des Bodens 40 mit
Sollbruchstelle und/oder Öffnungen gezielt beeinflusst
werden.
-
Bei
höheren Belastungen gibt der Boden 40 des Teils 34 aufgrund
der Druckentwicklung im Raum 7.1 den Durchführungskanal
hin zur unteren Elektrode 2; 9 frei, so dass dann
das vollständige Leistungsvermögen der Funkenstrecke
zur Verfügung steht. Diese Freigabe des Durchführungskanals
kann durch eine entsprechende Ausführungsform des Bodens
auch reversibel, d. h. zeitlich befristet erfolgen. Ebenso können
mehrere unterschiedlich ansprechende Sollbruchstellen des Bodens
vorgesehen werden, so dass sich eine bedarfsgerechte Öffnung des
Durchströmkanals, d. h. die Verbindung der Räume 7.1 und 7.2 einstellt.
-
Die
vorstehend erläuterte, reversible, zeitlich befristete
Ausführungsform hinsichtlich Freigabe des Durchführungskanals
ist als druckabhängige Ventilfunktion zu verstehen. Diese
Ventilfunktion ist keinesfalls gleichzusetzen mit einem Berstschutz,
der aus verschlossenen Löschrohrableitern, z. B. mit Kugel- und
Federfunktion vorbekannt ist. Mit der Ventilfunktion wird eine Bereitstellung
einer bedarfsgerechten Leistungsfähigkeit der Funkenstrecke
bei verschiedenen Belastungen erreicht.
-
Die
erläuterte Lösung hat den Vorteil, dass bei geringen
Belastungen der Funkenstrecke aufgrund Folgestromfreiheit keine
nennenswerte Alterung eintritt.
-
Zur
Erhöhung des beschriebenen Effekts ist eine Kombination
des gasabgebenden Materials mit Materialien, die eine nichtlineare
Kennlinie aufweisen, z. B. einem Varistor oder einem PTC-Element möglich.
Für diese Kombination sind Reihenschaltungen oder Parallelschaltungen
denkbar, diese können geometrisch durch die Materialien
selbst oder durch geeignete elektrische Verbindungen mit externen
Teilen erfolgen. Neben einer radialen Segmentierung sind auch radiale
bzw. axiale Reihenschaltungen möglich.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10008764
A1 [0005]
- - DE 10018012 A1 [0006]
- - DE 10164025 A1 [0008]
- - EP 0305077 A1 [0010]