DE102012007102A1 - Spark gap with several series-connected, stacked single spark gaps - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, welche durch ringförmige Trennstrecken voneinander beabstandet und mit einer Kontaktierung versehen sind, wobei die jeweiligen Einzelfunkenstrecken ring- oder scheibenförmige Elektroden aufweisen, sowie weiterhin mit Steuerelementen zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über der Stapelanordnung, wobei die zur Bildung einer der jeweiligen Einzelfunkenstrecken erforderlichen ring- oder scheibenförmigen Elektroden in jeweils einen Isolationskörper eingesetzt und von diesem zentriert gehalten sind, Erfindungsgemäß sind die Steuerelemente außenumfangsseitig der Umhüllenden der Stapelanordnung, jeweils einzeln oder in Gruppen zusammengefasst, radial winkelversetzt, angeordnet.The invention relates to a spark gap with a plurality of series-connected, stacked individual spark gaps, which are spaced apart by annular separation sections and provided with a contact, wherein the respective individual spark gaps annular or disc-shaped electrodes, and further with controls for influencing the voltage distribution over the According to the invention, the control elements are arranged on the outer peripheral side of the envelope of the stack arrangement, in each case individually or in groups, arranged radially angularly offset.
Description
Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, welche durch ringförmige Trennstrecken voneinander beabstandet und mit einer Kontaktierung versehen sind, wobei die jeweiligen Einzelfunkenstrecken ring- oder scheibenförmige Elektroden aufweisen, sowie weiterhin mit Steuerelementen zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über der Stapelanordnung, wobei die zur Bildung einer der jeweiligen Einzelfunkenstrecken erforderlichen ring- oder scheibenförmigen Elektroden in jeweils einen Isolationskörper eingesetzt und von diesem zentriert gehalten sind, gemäß Patentanspruch 1.The invention relates to a spark gap having a plurality of series-connected, stacked individual spark gaps, which are spaced apart by annular separation sections and provided with a contact, wherein the respective individual spark gaps annular or disc-shaped electrodes, and further with controls for influencing the voltage distribution over the Stack arrangement, wherein the necessary for the formation of one of the respective individual spark gaps annular or disc-shaped electrodes are used in each case an insulating body and kept centered by this, according to
Überspannungsableiter, ausgebildet als Stapelfunkenstrecken, sind beispielsweise aus der
Um Ausfallerscheinungen bei Funkenstrecken-Stapelanordnungen in Folge einer Spannungsüberlastung vorzubeugen, gehört es ergänzend zum Stand der Technik, Zusatzelemente parallel zu schalten, die eine Homogenisierung der Spannungsverteilung über den einzelnen Teilfunkenstrecken ermöglichen und damit den Ableiter hinsichtlich des Ansprechverhaltens optimieren, eine bekannte Anordnung von Steuerelementen ist beispielsweise in der
Bezüglich weiterer technischer Lösungen zur Steuerung von Einzelfunkenstrecken bei Stapelanordnungen sei auf die
Bei der Nutzung des bekannten Stapelprinzips unter Zuhilfenahme von Steuerelementen für den Einsatz von Ableitern in Niederspannungsanlagen müssen ergänzende Anforderungen u. a. hinsichtlich der Blitzstoßstromtragfähigkeit, des Schutzpegels und der maximalen Baugröße beachtet werden.When using the known stacking principle with the aid of controls for the use of arresters in low-voltage systems additional requirements u. a. with regard to the lightning current carrying capacity, the protection level and the maximum size.
Bei Anwendungen in Niederspannungsanlagen muss die Isolationskoordination der Einzelelemente untereinander berücksichtigt werden, so dass hierbei ein deutlich kleinerer Schutzpegel als bei Mittel- oder Hochspannungsanlagen erforderlich ist. Durch die bei Niederspannungsanlagen ebenfalls geforderte Blitzstoßstromtragfähigkeit müssen entsprechende Ableiter derart dimensioniert werden, dass die auftretende große spezifische Energie sicher abgeleitet werden kann. Diesbezüglich ist es bekannt, bei Stapelanordnungen aus scheibenförmigen Elektroden auf isolierende Distanzstücke zurückzugreifen, wie z. B. in der
Derartige Stapelanordnungen bestehen aus einer Abfolge von scheibenförmigen Elektroden mit Isolationsringen, welche jeweils einen radialen Überstand zu den häufig aus Graphit hergestellten Elektroden besitzen. Der gesamte Stapel wird durch Führungsstangen in axialer Richtung z. B. mittels Verschrauben verspannt. Die Führungsstangen oder Halterungen dienen der radialen Positionierung der Graphitscheiben sowie der Isolationsringe untereinander, so dass sich reproduzierbare Überstände für die äußeren Überschlagsstrecken ergeben. Die Führungselemente sind hierbei so auszulegen, dass die radialen Toleranzen aller Scheibenelektroden bzw. Ringe beachtet werden und dass die Führungen der Einzelteile durch das axiale Verspannen des Stapels nicht zu Unterbrechungen der Druckkette, also zur Spaltbildung führt oder einzelne Teile durch das Verschrauben beschädigt werden. Eine fehlerhafte Verspannung könnte neben der Spaltbildung mit der Folge einer Erhöhung des Schutzpegels durch die zusätzlichen Überschlagsstrecken auch zum Bruch der Elektroden oder zur Verkürzung der Isolationsüberstände führen. Die vorstehend geschilderte Art der Positionierung führt aufgrund der unvermeidbaren radialen und axialen Toleranzen, insbesondere bei zunehmender Anzahl der Einzelteile, zu erheblichen Problemen bei der gewünschten exakten Positionierung der Elemente untereinander. Dies betrifft ebenso die genaue Einhaltung der notwendigen Überstände zwischen den Isolationselementen und Elektroden. Verschiebungen entlang der radialen Achse sind allerdings kaum vermeidbar, da die Druckachse über die Verschraubung nur über die Summe des gesamten Stapels wirken kann. Die Anzahl der realisierbaren Teilfunkenstrecken ist daher bei den bisher bekannten Ausführungsformen begrenzt.Such stack arrangements consist of a sequence of disk-shaped electrodes with insulation rings, which each have a radial projection to the electrodes often made of graphite. The entire stack is guided by guide rods in the axial direction z. B. braced by screwing. The guide rods or brackets are used for the radial positioning of the graphite disks and the insulation rings with each other, so that reproducible projections for the outer flashover results. The guide elements are in this case designed so that the radial tolerances of all disc electrodes or rings are observed and that the guides of the items by the axial distortion of the stack does not lead to interruptions of the print chain, so gap formation or individual parts are damaged by screwing. In addition to the formation of gaps with the consequence of an increase in the protection level due to the additional flashover distances, a faulty tensioning could also lead to breakage of the electrodes or shorten the insulation overhangs. The above-described type of positioning leads due to the unavoidable radial and axial tolerances, especially with increasing number of items to significant problems in the desired exact positioning of the elements with each other. This also applies to the exact compliance with the necessary projections between the insulation elements and electrodes. Displacements along the radial axis, however, are hardly avoidable, since the pressure axis can act on the screw only over the sum of the entire stack. The number of feasible partial spark gaps is therefore limited in the previously known embodiments.
Beachtet man zudem, dass entsprechend ihrer Grundfunktion, d. h. dem Ableiten von Impulsströmen, alle Teile des Ableiters erhöhten mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist eine im Allgemeinen zuerst reversible und später irreversible Lockerung des Stapels und damit eine Verschiebung der einzelnen Elemente infolge von Druckwellen, die von der Höhe und der Anzahl der Belastungen abhängig sind, unvermeidbar.Note also that according to their basic function, ie the discharge of pulse currents, all parts of the arrester are exposed to increased mechanical and thermal loads, one is generally reversible first and later irreversible loosening of the stack and thus a shift of the individual elements due to pressure waves, which are dependent on the height and the number of loads, unavoidable.
Diese Nachteile werden durch die bisher bekannten folgestrombehafteten Ausführungen, wodurch es zu weiteren thermischen und mechanischen Belastungen der Anordnung kommt, noch verstärkt.These disadvantages are exacerbated by the hitherto known subsequent spark plug embodiments, which leads to further thermal and mechanical loads on the arrangement.
Wenn bekannte Funkenstrecken-Stapelanordnungen in Reiheneinbaugehäusen unterzubringen sind, ist der Raum für vertikale und horizontale Überstände ohnehin begrenzt. Bei sehr steilen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten, wie sie z. B. bei Folgeblitzen oder Schaltvorgängen auftreten, kann es bereits zum Außenüberschlag vorbekannter Anordnungen mit geringen Überständen kommen. Diese teilweisen oder vollständigen Außenüberschläge der Isolationsstrecken des Stapels können infolge der bereits erläuterten unkontrollierbaren Verschiebungs- und/oder Verunreinigungseffekte bekannter Lösungen auch bei geringeren Spannungssteilheiten auftreten.When known spark gap stacking arrangements are to be accommodated in row mounting housings, the space for vertical and horizontal projections is limited anyway. At very steep voltage rise rates, as z. B. occur at follow-up strands or switching operations, it may already come to the outside arcing prior art arrangements with small supernatants. These partial or complete external flashovers of the insulation stretches of the stack can occur as a result of the already explained uncontrollable displacement and / or contamination effects of known solutions even at lower voltage gradients.
Wenn eine Integration der Steuerelemente bei Funkenstrecken in Stapelanordnung erfolgt, ist zu berücksichtigen, dass die Menge der Steuerelemente, die in unmittelbarer Nähe der Elektroden anzubringen sind, ebenfalls einen Raumbedarf erfordert. Ist es z. B. erforderlich, die Abmessungen der Elektroden zu reduzieren oder höhere Kapazitäten für die Steuerelemente bereitzustellen, ergeben sich erhebliche konstruktive Beschränkungen.When integrating the controls into spark gaps in stacked configuration, it should be noted that the amount of controls to be mounted in close proximity to the electrodes also requires space. Is it z. B. required to reduce the dimensions of the electrodes or to provide greater capacity for the controls, there are significant design limitations.
Bei der Erhöhung der Kapazität ist unter Umständen noch eine Parallelschaltung von Steuerelementen möglich, jedoch ist es problematisch, Bauteile mit höherer Einzeldicke, z. B. für eine höhere benötigte Spannungsfestigkeit zu integrieren, Eine Nutzung vorbekannter Anordnungen bei deutlich höheren Spannungen ist daher nicht möglich. Bei höheren Nennspannungen, z. B. im Bereich der Mittelspannung, wird zur Realisierung der Folgestromfreiheit eine erhebliche Anzahl von Einzelfunkenstrecken benötigt. Im Mittetspannungsbereich sind aufgrund der geforderten niedrigen Schutzpegel in Bezug auf die Höhe der Netzspannung nahezu ausschließlich Varistorableiter auf der Basis von ZnO im Einsatz. Die Verwendung von Funkenstrecken beschränkt sich größtenteils auf den Überschlagsschutz von Anlagen. Varistorableiter neigen jedoch zu einer schnellen Alterung, wodurch der Leckstrom steigt und es letztendlich zur thermischen Überlastung der Ableiter kommt. Darüber hinaus besitzen sie ebenfalls den Nachteil einer begrenzten Blitzstromtragfähigkeit.When increasing the capacity, a parallel connection of controls is possibly still possible, but it is problematic components with higher single thickness, eg. B. to integrate for a higher required dielectric strength, a use of prior art arrangements at significantly higher voltages is therefore not possible. At higher rated voltages, z. B. in the range of medium voltage, a significant number of single spark gaps is needed to realize the Folgestromfreiheit. In Mittetspannungsbereich are due to the required low levels of protection in relation to the height of the mains voltage almost exclusively varistor on the basis of ZnO in use. The use of spark gaps is largely limited to the rollover protection of equipment. However, varistor dischargers tend to age rapidly, which increases the leakage current and ultimately leads to thermal overloading of the arresters. In addition, they also have the disadvantage of a limited lightning current carrying capacity.
Das aus dem Niederspannungsbereich bekannte Prinzip zur Realisierung einer folgestromfreien Stapelfunkenstrecke mit Elementen zur Realisierung einer nichtlinearen Spannungsverteilung kann prinzipiell auf den Mittelspannungsbereich übertragen werden.The principle known from the low-voltage field for realizing a sequence-current-free stacked spark gap with elements for implementing a non-linear voltage distribution can in principle be transferred to the medium-voltage range.
Die Ansprechspannung der Teilstrecken liegt im Mittelspannungsbereich im Unterschied zur Niederspannung unterhalb der Nennspannung. Im Mittelspannungsbereich werden bei Stapelfunkenstrecken Steuerelemente zur Gleichverteilung der Spannung eingesetzt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Ansprechspannung derartiger Funkenstrecken sehr hoch ist und ein Überspannungsschutz nur begrenzt möglich wird. Im Niederspannungsbereich ist die Anzahl der Teilfunkenstrecken relativ begrenzt. Das Prinzip der Umladung der einzelnen Kapazitäten der Teilfunkenstrecken nach dem Ansprechen der ersten ungesteuerten Funkenstrecke funktioniert mit relativ geringen Energieverlusten bei wenigen bis zu einigen dutzend Teilstrecken. Bei einer höheren Streckenanzahl sinkt die Effizienz des erläuterten Prinzips, wodurch die Zündung aller Teilstrecken insbesondere dann gefährdet ist, wenn eine Koordination zu einem parallelen Ableiter, z. B. einem Varistor notwendig wird. Aber auch ohne den Einsatz eines weiteren parallelen Ableiters verzögert sich durch energetische Verluste die Zündung der Teilstrecken, wodurch nicht nur die Zündung insgesamt gefährdet ist, sondern die Spannungsbelastung der Steuerelemente und auch die Restspannung und, somit der Schutzpegel des Ableiters unkontrolliert steigt.The response voltage of the sections is in the medium voltage range in contrast to the low voltage below the rated voltage. In the medium-voltage range, control elements are used for equal distribution of voltage in the case of stacked spark gaps. However, this has the disadvantage that the operating voltage of such spark gaps is very high and overvoltage protection is limited possible. In the low voltage range, the number of partial spark gaps is relatively limited. The principle of transhipment of the individual capacities of the partial spark gaps after the response of the first uncontrolled spark gap works with relatively low energy losses in the case of a few to several dozens of sections. At a higher number of tracks, the efficiency of the principle explained decreases, whereby the ignition of all sections is particularly at risk when coordination to a parallel arrester, z. B. a varistor is necessary. But even without the use of another parallel arrester delayed by energetic losses, the ignition of the sections, which not only the ignition is at risk altogether, but the voltage load of the controls and the residual voltage and thus the protection level of the arrester increases uncontrollably.
Bei Stapelfunkenstrecken mit externen Steuerelementen besteht zusammenfassend die Notwendigkeit, die einzelnen Elektroden der Stapelfunkenstrecke mit einem Steuerelement zu verbinden. Neben den elektrischen Kontaktierungsproblemen und der Einhaltung von Überschlagsstrecken resultiert auch ein geometrisches Problem, da bei vorteilhaft sehr dünnen Elektroden und geringen Trennstrecken die Dicke der Steuerelemente, d. h. deren Bauraum höher sein kann. Werden solche Steuerelemente beispielsweise in einem Block und unabhängig von der Dicke der Einzelfunkenstrecke vergossen, muss die Kontaktierung der Steuerelemente an den Elektroden sehr genau ausgeführt werden. Dies ist bei Stapelanordnungen aufgrund der Einzeltoleranzen schwierig und aus Gründen der Funkenbildung und damit der Gerätefunktion kritisch. Notwendig ist daher eine toleranzunabhängige Zuordnung von entsprechenden Steuerelementen zu der jeweiligen Teilfunkenstrecke. Hier tritt jedoch bei einer Minimierung der Abmessungen der Elektroden und der Trennstrecken das Problem auf, dass die Dicke des zugeordneten Steuerelements dann nur begrenzt sein kann. Bei zunehmender Anzahl der Teilfunkenstrecken, zunehmender Betriebsspannung und zunehmender Anforderung an die Spannungsfestigkeit der Steuerelemente verschärft sich das vorerwähnte Problem noch.In the case of stacked spark gaps with external controls, there is a general need to connect the individual electrodes of the stacked spark gap to a control element. In addition to the electrical Kontaktierungsproblemen and the compliance of flashover distances also results in a geometric problem, since advantageously very thin electrodes and small separation distances, the thickness of the controls, d. H. whose space can be higher. If such controls are cast, for example, in a block and regardless of the thickness of the single spark gap, the contacting of the controls on the electrodes must be carried out very accurately. This is difficult in stack arrangements due to the individual tolerances and for reasons of sparking and thus the device function critical. Therefore, a tolerance-independent assignment of corresponding control elements to the respective partial spark gap is necessary. Here, however, a problem with minimizing the dimensions of the electrodes and the partitions is that the thickness of the associated control element may then be limited. With increasing number of partial spark gaps, increasing operating voltage and increasing demands on the dielectric strength of the controls, the above-mentioned problem is exacerbated.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Funkenstrecke mit mehreren, in Reihe geschaltetes, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, welche durch ringförmige Trennstrecken voneinander beabstandet und mit einer Kontaktierung versehen sind, anzugeben, welche es ermöglicht, folgestromfreie Stapelanordnungen in kompakter Ausführung mit der Möglichkeit der flexiblen Anpassung an verschiedene Netzspannungen zu schaffen, wobei eine platzsparende und geometrisch unabhängige Dimensionierung von Steuerelementen und Stapelelektroden bei optimaler Überschlagssicherheit gegeben ist. It is therefore an object of the invention to provide an advanced spark gap with multiple, series-connected, stacked individual spark gaps, which are spaced apart by annular separation sections and provided with a contact, which allows Folgestromfreie stacking arrangements in a compact design with the possibility of flexible adaptation to different network voltages to create, with a space-saving and geometrically independent dimensioning of controls and stacking electrodes is given optimal rollover security.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.The object of the invention is achieved by the combination of features according to
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht demgemäß darin, eine Konstruktion vorzuschlagen, bei welcher die notwendigen Funktionselemente der Teilfunkenstrecken als Einzelmodule konzipiert und von funktionsbedingten Belastungen wie Druck, Berußung und so weiter nicht beeinträchtigt werden und damit alterungsstabil sind. Weiterhin soll eine Entkopplung der Höhe der Einzelmodule von dem geometrischen Bauraum bzw. der geometrischen Baugröße der Steuerelemente erfolgen, so dass die Höhe der Funkenstrecken-Stapelanordnung ausschließlich durch die notwendige Dicke der Elektroden und der isolierenden Trennstrecken bestimmt ist.A basic idea of the invention is accordingly to propose a construction in which the necessary functional elements of the partial spark gaps are designed as individual modules and are not impaired by functional loads such as pressure, contraction and so on and are thus resistant to aging. Furthermore, a decoupling of the height of the individual modules of the geometric space or the geometric size of the controls is carried out so that the height of the spark gap stack assembly is determined solely by the necessary thickness of the electrodes and the insulating separation sections.
Neben einer kompakteren Größe einer derartigen Funkenstrecken-Ableiteranordnung kann hierdurch auch eine bessere Abstimmung der Längs-, Quer- und Eigenkapazitäten sowie der Steuerkapazitäten und der Impedanzen erfolgen, welche die Umladung zwischen den Kapazitäten beeinflussen, wodurch neben einer niedrigeren Restspannung auch die Umladungsverluste reduziert sind. Dies ermöglicht wiederum eine höhere Anpassung an Teilfunkenstrecken bei geringerer Ansprech- und Restspannung sowie mit rascher Zündzeit der gesamten Stapelanordnung zu realisieren.In addition to a more compact size of such a spark gap arrester arrangement, a better coordination of the longitudinal, transverse and inherent capacities and the control capacities and the impedances can take place, which influence the transhipment between the capacitances, which in addition to a lower residual voltage and the Umladungsverluste are reduced. This in turn allows a higher adaptation to partial spark gaps with a lower response and residual voltage and to realize faster ignition of the entire stacking arrangement.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Steuerelemente, z. B. Kapazitäten, radial umfangsseitig verteilt um die bevorzugten Scheibenelektroden angeordnet werden. Dabei können Mittel vorgesehen sein, die die Steuerelemente aufnehmen und welche z. B. achssymmetrische Verdickungen zur Aufnahme der Steuerelemente größerer Dicke besitzen.In a preferred embodiment of the invention, the controls, for. B. capacities, radially circumferentially distributed to the preferred disc electrodes are arranged. In this case, means may be provided which receive the controls and which z. B. axisymmetric thickening to accommodate the controls have greater thickness.
Die Verdickungen der einzelnen Module werden radial versetzt über den Umfang des Stapels verteilt, so dass die Stapelhöhe nur der Höhe der Menge aus Trennstrecken und Elektroden entspricht.The thickenings of the individual modules are distributed radially offset over the circumference of the stack, so that the stack height corresponds only to the height of the amount of separation lines and electrodes.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird vorgeschlagen, mehrere Module radial um den Stapel aus Trennstrecken und Scheibenelektroden anzuordnen, welche die Steuerelemente enthalten und die Kontaktstellen der Steuerelemente zu den Scheibenelektroden überschlagssicher, d. h. ohne Gleitstrecken oder Luftstrecken, welche einen Funkenüberschlag erlauben, zwischen zwei Kontaktierungen der Steuerelemente auszuführen. Eine radiale Anordnung der Steuerelemente kann dabei in Gruppen oder auch einzeln versetzt, d. h. gestuft um den Elektrodenstapel realisiert werden. Eine derartig ausgeführte Stapelanordnung kann bei nur einer Trennstrecke ohne Steuerelemente für Nennspannungen bis 1 kV folgestromfrei ausgeführt werden. Die Anzahl der Teilfunkenstrecken mit stark nichtlinearer Spannungsverteilung kann durch diese Variante der Erfindung auf ein Vielfaches erhöht werden. Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt eine geringe Ansprechverzugszeit, eine geringe Restspannung und gewährleistet zudem eine gute Koordinierbarkeit bei kompakter Baugröße. Die Bauteile und die Anordnung sind so gewählt bzw. ausgeführt, dass auch bei hohen Strom- und Spannungssteilheiten sowie bei Alterung Rein Außenüberschlag, selbst bei Funkenbildung im Kontaktbereich der Steuerelemente zu den Scheibenelektroden über den gesamten Ableiter auftreten kann.In an alternative embodiment, it is proposed to arrange a plurality of modules radially around the stack of partitions and disk electrodes containing the controls and the contact points of the controls to the disk electrodes safe to roll over, d. H. without sliding or air gaps, which allow a sparkover to perform between two contacts of the controls. A radial arrangement of the controls can be placed in groups or individually, d. H. stepped to be realized around the electrode stack. Such a stack arrangement executed can be carried out folgestromfrei in only one separation distance without controls for rated voltages up to 1 kV. The number of partial spark gaps with a highly non-linear stress distribution can be increased to a multiple by this variant of the invention. The inventive arrangement has a low Ansprechverzugszeit, a low residual stress and also ensures good coordination in a compact size. The components and the arrangement are chosen or designed so that even at high current and voltage gradients as well as aging can occur outside, even with sparking in the contact region of the controls to the disk electrodes over the entire arrester.
Im Falle des Überschlagens oder der Überlastung eines Steuerelements ist bei der kompakten Bauweise die Gefahr des vollständigen Überschlagens des Ableiters nicht gegeben. Die Trennstrecke ohne Steuerelement kann als passive oder triggerbare Gleitstrecke bzw. Durchschlagstrecke ausgeführt werden. Die vorgestellten Ausführungsformen von Stapelfunkenstrecken sind für den gesamten Niederspannungsbereich für Gleich- und Wechselspannungsanwendungen geeignet.In the case of the rollover or overload of a control is the risk of complete rollover of the arrester is not given in the compact design. The separation distance without control can be performed as a passive or triggerable sliding or breakdown. The presented embodiments of stacked spark gaps are suitable for the entire low voltage range for DC and AC applications.
Ausgehend von gleichen Einzelteilen der jeweiligen Teilfunkenstrecke, also Steuerelement, Trennstrecke und Scheibenelektroden sowie Kontaktelementen und Gehäuseteilen ist über die Anzahl der identisch aufgebauten Teilfunkenstrecken eine leichte Anpassung an die Nennspannung und eine Variation über einen sehr breiten Spannungsbereich möglich.Starting from the same individual parts of the respective partial spark gap, ie control element, separating section and disc electrodes as well as contact elements and housing parts, an easy adaptation to the nominal voltage and a variation over a very wide voltage range is possible via the number of identically constructed partial spark gaps.
Bei Funkenstreckenanordnungen in Stapelanordnung für den Mittelspannungsbereich mit stark nichtlinearer Spannungsverteilung zwischen den Teilfunkenstrecken wird zur Gewährleistung eines niedrigen Schutzpegels bei Folgestromfreiheit auf eine Reihenschaltung von mehreren Niederspannungsableitern des oben beschriebenen Typs orientiert.In spark gap arrangements in the stack arrangement for the medium voltage range with highly non-linear voltage distribution between the partial spark gaps, a series connection of a plurality of low voltage conductors of the type described above is oriented to ensure a low protection level with subsequent flow freedom.
Um den notwendigen Sicherheitsanspruch für den Mittelspannungsbereich zu gewährleisten, werden die Einzelmodule bei der Montage in einem Gehäuse als getrennte Einheiten angeordnet und mit zusätzlichen Maßnahmen, z. B. Trennplatten oder Trennstrecken gegen Überschläge untereinander geschützt.To ensure the necessary safety requirements for the medium voltage range, the individual modules are arranged as separate units during assembly in a housing and with additional measures, eg. B. separating plates or separation lines protected against flashovers with each other.
Bei einer Stapelanordnung ist zwischen den einzelnen Modulen und dem Außenbereich ein Druck- und Feuchtigkeitsausgleich vorgesehen. Bei einer geringen Anzahl von Modulen kann aufgrund der Folgestromfreiheit des Ableiters, der geringen Belastung und Alterung der Trennstrecken sowie dem sehr homogenen Aufbau von einer gleichmäßigen Spannungsverteilung über den Modulen während der gesamten Lebensdauer ausgegangen werden.In a stacking arrangement, a pressure and moisture compensation is provided between the individual modules and the outdoor area. With a small number of modules, it is possible to assume an even distribution of voltage across the modules during the entire service life, due to the consequential freedom of the arrester, the low load and aging of the separating sections and the very homogeneous structure.
Die Ansprechspannung der Anordnung ergibt sich dabei aus der Summe der in Reihe geschalteten Trennstrecken der Einzelmodule mit geringer Spannungsfestigkeit. Alternativ hierzu bzw. bei einer höheren Modulanzahl der Reihenschaltung ist es sinnvoll, die Spannungsverteilung zwischen den Modulen bzw. über den Trennstrecken zusätzlich extern zu steuern. Bei ausreichender Spannungsfestigkeit für die Nennspannung des Ableiters, z. B, bei einer triggerbaren Trennstrecke ist es möglich, nur ein Modul mit einer Trennstrecke ohne Steuerung zu versehen. Zur Gewährleistung einer niedrigen Restspannung des gesamten Ableiters kann eine Steuerung der Spannungsverteilung zwischen den Modulen bei einer solchen Anordnung insbesondere bei einer höheren Modulanzahl bzw. bei einer hohen Impedanz zwischen den Modulen vorteilhaft sein.The response voltage of the arrangement results from the sum of the series-connected separation sections of the individual modules with low dielectric strength. Alternatively, or in the case of a higher number of modules of the series connection, it makes sense to additionally control the voltage distribution between the modules or via the separating sections externally. With sufficient dielectric strength for the nominal voltage of the arrester, z. B, with a triggerable separation distance, it is possible to provide only one module with a separation distance without control. To ensure a low residual voltage of the entire arrester, a control of the voltage distribution between the modules can be advantageous in such an arrangement, in particular with a higher number of modules or with a high impedance between the modules.
Die Steuerung zwischen den Modulen ist bei einer einzelnen Trennstrecke in nur einem Modul vorzugsweise ebenfalls stark nichtlinear ausgeführt, während bei Trennstrecken in jedem Modul mit einer Spannungsfestigkeit geringer als die Nennspannung des gesamten Ableiters auch eine symmetrische Spannungserteilung zwischen den Modulen insbesondere bei einer erhöhten Anzahl möglich ist.The control between the modules is also preferably designed to be highly nonlinear in a single separation distance in only one module, while at separation distances in each module with a dielectric strength lower than the rated voltage of the entire arrester and a symmetrical voltage distribution between the modules, especially at an increased number is possible ,
Der modulare Aufbau eines Mittelspannungsableiters aus einer Menge der hier vorgestellten Niederspannungsableiter besitzt den Vorteil, dass neben den Trennstrecken zwischen den Modulen auch zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung der einzelnen Module eingebracht werden können, was insbesondere für den Energieumsatz bei Blitzimpulsen von Vorteil ist.The modular design of a medium-voltage arrester from a set of low-voltage arresters presented here has the advantage that in addition to the separation distances between the modules, additional measures for cooling the individual modules can be introduced, which is particularly advantageous for the energy conversion in lightning pulses.
Die Wärmeabgabe kann zwischen den Modulen durch eingebrachte Materialien zur Erhöhung der Wärmekapazität, durch passive Kühlkörper oder aber auch durch Wärmeableitung zum Gehäuse des gesamten Ableiters optimiert werden. Bei einer Reihenschaltung von Modulen ist es möglich, die Anzeige des Zustands der einzelnen Module für die Anzeige des gesamten Ableiters zu nutzen, wobei z. B. eine Einzelanzeige eine Gesamtanzeige auslöst. Alternativ ist auch eine Anzeige für die Funktionsweise des gesamten Ableiters ausführbar.The heat output can be optimized between the modules by introducing materials to increase the heat capacity, by passive heat sinks or by heat dissipation to the housing of the entire arrester. In a series connection of modules, it is possible to use the indication of the state of the individual modules for the display of the entire arrester, wherein z. B. a single display triggers an overall display. Alternatively, an indicator for the operation of the entire arrester can be executed.
Die Erfindung geht, wie vorstehend bereits umrissen, von einer Funkenstrecke mit mehreren, in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken aus, welche durch ringförmige Trennstrecken voneinander beabstandet und mit einer Kontaktierung versehen sind. Die jeweiligen Einzelfunkenstrecken weisen ring- oder scheibenförmige Elektroden, insbesondere geringer Dicke auf und stehen mit Steuerelementen zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über der Stapelanordnung in Verbindung, wobei die zur Bildung einer der jeweiligen Einzelfunkenstrecken erforderlichen ring- oder scheibenförmiges Elektroden in jeweils einen Isolationskörper oder Zentrierkörper eingesetzt und von diesem gehalten sind.The invention is, as already outlined above, of a spark gap with a plurality of series-connected, arranged in a stack arrangement of individual spark gaps, which are spaced apart by annular separation sections and provided with a contact. The individual individual spark gaps have ring-shaped or disk-shaped electrodes, in particular small thickness, and are connected to control elements for influencing the stress distribution over the stack arrangement, wherein the ring-shaped or disk-shaped electrodes required for forming one of the respective individual spark gaps are inserted into an insulation body or centering body held by this.
Gemäß den Ausführungsformen der Erfindung sind die Steuerelemente außenumfangsseitig der umhüllenden der Stapelanordnung, jeweils einzeln oder in Gruppen zusammengefasst, radial winkelversetzt angeordnet.According to the embodiments of the invention, the control elements are arranged on the outer peripheral side of the envelope of the stack arrangement, individually or in groups, arranged radially angularly offset.
Der Winkelversatz kann hierbei spiralförmig verlaufen.The angular offset can be spiral.
Bei einer Variante der Erfindung verlaufen die Gruppen von Steuerelementen parallel zur Längsachse der Stapelanordnung und besitzen untereinander den radialen Winkelversatz. So ist es z. B. möglich, die Gruppen jeweils um 90° versetzt parallel zur Längsachse außenumfangsseitig der Stapelanordnung auszubilden, so dass vier beabstandete Gruppen von Steuerelementen vorliegen.In a variant of the invention, the groups of control elements extend parallel to the longitudinal axis of the stack arrangement and have the radial angular offset with one another. So it is z. B. possible, the groups each offset by 90 ° parallel to the longitudinal axis outer peripheral side of the stack arrangement form, so that there are four spaced groups of controls.
Der Raum zwischen den Gruppen von Steuerelementen kann dann für zusätzliche Bauelemente, z. B. Varistoren genutzt werden. Die vorstehend erläuterte Anordnung aus einer Menge von Stapelfunkenstrecken mit in Gruppen außenumfangsseitig befindlichen Steuerelementen kann von einem, bevorzugt zylindrischen, Gehäuse umgeben und als kompakte Baugruppe ausgeführt werden.The space between the groups of controls can then be used for additional components, e.g. B. varistors are used. The above-described arrangement of a set of stacked spark gaps with controls located in groups on the outer peripheral side can be surrounded by a preferably cylindrical housing and designed as a compact assembly.
Bei einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung sind die Steuerelemente auf einem Tragteil befindlich, welches Mittel zur elektrischen Kontaktierung aufweist, wobei das oder die Tragteile von einem Modulsegment aufgenommen werden, welches Bestandteil des Gehäuses der Stapelanordnung ist.In a first embodiment of the invention, the controls are located on a support member having means for electrical contacting, wherein the or the support members are received by a module segment, which is part of the housing of the stack assembly.
Das Tragteil für die Steuerelemente kann z. B. eine Leiterplatte sein und die Mittel zur elektrischen Kontaktierung können Kontaktstifte, auch in Form von Federkontaktstiften umfassen.The support member for the controls can, for. B. may be a printed circuit board and the means for electrical contacting may comprise pins, also in the form of spring contact pins.
Wenn das Tragteil als Leiterplatte ausgebildet ist, trägt die Leiterplatte die vorerwähnten Kontaktstifte, die über Öffnungen im jeweiligen Isolationskörper in der Lage sind, die betreffende ring- oder scheibenförmige Elektrode zu kontaktieren. If the support member is formed as a printed circuit board, the circuit board carries the aforementioned contact pins, which are through openings in the respective insulating body in a position to contact the respective annular or disc-shaped electrode.
Das jeweilige Modulsegment kann einen Aufnahmeraum für mindestens einen Abschnitt des jeweiligen Tragteils bzw. der Leiterplatte mit den dort befindlichen Steuerelementen zur Separierung dieser aufweisen. Dies erhöht die Überschlagsfestigkeit der Anordnung und bewirkt eine sichere mechanische Fixierung aller Bauteile.The respective module segment may have a receiving space for at least a portion of the respective supporting part or the printed circuit board with the controls located there for the separation of these. This increases the rollover resistance of the arrangement and causes a secure mechanical fixation of all components.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist an ausgewählten Isolationskörpern ein seitlicher Fortsatz vorhanden bzw. dort befindlich und/oder angeformt, welcher mindestens ein Steuerelement mit Abmessungen aufnimmt, die nicht von der Dicke des jeweiligen Isolationskörpers bzw. der Dicke der scheibenförmigen, Elektroden begrenzt sind.In a further embodiment of the invention, a lateral extension is provided or located and / or formed on selected insulation bodies, which accommodates at least one control element with dimensions which are not limited by the thickness of the respective insulation body or the thickness of the disk-shaped electrodes.
Im seitlichen Fortsatz können elektrische Kontaktmittel zum Anschluss des jeweiligen Steuerelements und dessen Verbindung zur jeweiligen Elektrode angeordnet werden.In the lateral extension, electrical contact means for connecting the respective control element and its connection to the respective electrode can be arranged.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform befindet sich die jeweilige ringförmige Trennstrecke zwischen den jeweiligen benachbarten Isolationskörpern und wird von diesen fixiert. Weiterhin ist im jeweiligen Isolationskörper eine Ausnehmung zur Aufnahme und Zentrierung der betreffenden scheibenförmigen Elektrode vorhanden, deren Form der Kontur der jeweiligen Elektrode komplementär ist, wobei die Ausnehmung innenumfangsseitig Zentriervorsprünge oder Zentriernasen besitzt.In the embodiment described above, the respective annular separation distance between the respective adjacent insulating bodies and is fixed by them. Furthermore, in the respective insulating body a recess for receiving and centering of the respective disc-shaped electrode is present, the shape of the contour of the respective electrode is complementary, wherein the recess has inner peripheral side centering or centering.
Für höhere Betriebsspannungen können mehrere der vorbeschiebenen Stapelanordnungen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden, wobei zwischen den einzelnen Stapelanordnungen Trennplatten oder Trennscheiben vorgesehen sind, welche sowohl der mechanischen Fixierung als auch der elektrischen Abschottung dienen.For higher operating voltages more of the vorbeschiebenen stacking arrangements can be accommodated in a common housing, being provided between the individual stacking arrangements separating plates or cutting discs, which serve both the mechanical fixation and the electrical foreclosure.
Weiterhin können zwischen den einzelnen Stapelanordnungen im gemeinsamen Gehäuse Wärmesenken oder Kühlkörper vorgesehen sein.Furthermore, heat sinks or heat sinks can be provided between the individual stack arrangements in the common housing.
Zwischen allen oder ausgewählten Stapelanordnungen können innerhalb des gemeinsamen Gehäuses auch zusätzliche Steuerelemente ausgebildet werden, Die Trennplatten oder Trennscheiben besitzen bei einer Ausgestaltung der Erfindung Öffnungen zum Temperatur- und/oder Druckausgleich zwischen den einzelnen Stapelanordnungen.Additional control elements can also be formed within the common housing between all or selected stack arrangements. In one embodiment of the invention, the partition plates or cut-off wheels have openings for temperature and / or pressure equalization between the individual stack arrangements.
Weiterhin kann das gemeinsame Gehäuse eine Druckausgleichsöffnung besitzen.Furthermore, the common housing may have a pressure equalization opening.
Ebenfalls ist es möglich, eine Anordnung mehrerer Stapel auf einer Ebene mit planarer Verdrahtung entsprechend der gewünschten Betriebsspannung vorzusehen, was dann vorteilhaft ist, wenn sich das äußere Gehäuse als Reiheneinbaugehäuse darstellt.It is also possible to provide an arrangement of a plurality of stacks on a plane with planar wiring corresponding to the desired operating voltage, which is advantageous when the outer housing is a series housing housing.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment and with the aid of figures.
Hierbei zeigen:Hereby show:
Bei der Darstellung nach
Die Anordnung weist zwei äußere elektrische Kontakte
Die Gewindebolzen bzw. Gewindebuchsen werden jeweils mit einer Grundplatte
Der im Inneren der Anordnung befindliche Stapel besteht aus einer wechselnden Abfolge von scheibenförmigen Elektroden
Die Elektroden
Die Zentrierringe
Weiterhin weist der Zentrierring
Der Zentrierring
In Reihe zu den Einzelfunkenstrecken, jeweils gebildet aus zwei Scheibenelektroden mit externen Steuerelementen und einer Distanzstrecke, kann eine ungesteuerte Trennstrecke bzw. Funkenstrecke geschaltet werden.In series with the individual spark gaps, each formed from two disk electrodes with external controls and a distance distance, an uncontrolled separation distance or spark gap can be switched.
Die Ansprechspannung kann durch die Art des Materials bzw. der Dicke der ringförmigen Distanzscheibe, die Gestaltung der Scheibenelektroden oder durch die Art der Funkenstrecke selbst beeinflusst werden.The response voltage can be influenced by the nature of the material or the thickness of the annular spacer, the design of the disc electrodes or by the nature of the spark gap itself.
Es kann die Funkenstrecke aktiv triggerbar oder passiv, z. B. als Gasableiter
Zur Steuerung des Spannungsabfalls der Anordnung während des Zündens aller Teilfunkenstrecken kann unterhalb des Gasentladungsableiters
Der weitere Anschluss des nicht gezeigten Varistors erfolgt dann an der metallischen Grundplatte
In der Darstellung nach
Die Kontaktierung der Steuerelemente
Der Überstand der ringförmigen Distanzscheiben
Wie bereits erwähnt, werden die Steuerelemente
Die gezeigte Stapelanordnung sowie die Leiterplatten werden in einzelnen Modulsegmenten
Ein separierter Bereich
In der
Wie aus der
Die Modulsegmente
Bei der Ausführungsform gemäß den Darstellungen nach
Für gleiche Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, so dass für das Verständnis der
Bei der Lösung nach
Der betreffende Isolationskörper
Damit die Verdickung
Die
Die Anordnung nach
Selbstverständlich sind auch Alternativen bezogen auf die Darstellungen nach
Für höhere Spannungen und/oder spezielle Überspannungsschutzschaltungen, z. B. sogenannte Y-Schaltungen, können mehrere der Stapelanordnungs-Einzelmodule separat verschaltet und angeordnet werden.For higher voltages and / or special overvoltage protection circuits, eg. B. so-called Y-circuits, several of the stack assembly individual modules can be connected and arranged separately.
Eine prinzipielle Ausführungsform einer Reihenschaltung von mehreren Einzelmodulen entsprechend den Darstellungen nach den
In einem rohrförmigen oder zylindrischen Gehäuse
Die Führung der gesamten Anordnung im Gehäuse
Diese isolierenden Trennscheiben oder Trennplatten dienen der mechanischen Führung, der Abschottung gegenüber Entladungen und einem Feuchte- und Druckausgleich zwischen den abgetrennten Bereichen.These insulating cutting discs or separating plates are used for mechanical guidance, foreclosure against discharges and a moisture and pressure balance between the separated areas.
Weiterhin kann im Gehäuse
Bei Stapelanordnungen, bei denen mit einem höheren Leistungsumsatz zu rechnen ist, können innerhalb oder zwischen den Modulen noch Wärmesenken oder Kühlkörper integriert werden.In stack arrangements where higher power conversion is anticipated, heat sinks or heat sinks can be integrated within or between the modules.
Diese Wärmesenken oder Kühlkörper können dem Funkenstreckenstapel Wärme nach dessen Ansprechen entziehen, wodurch die thermische Belastung reduzierbar ist.These heat sinks or heat sinks can extract heat from the spark gap stack after it has been triggered, as a result of which the thermal load can be reduced.
Die Kontaktfläche
Das Gehäuse
Ebenfalls kann der Einsatz von Kühlelementen an der Grundplatte bzw. den Verbindungsteilen der Einzelmodule
Die
Diese passive Steuerung ist bevorzugt stark nichtlinear, z. B. mit Hilfe von Kapazitäten als Steuerelemente
Für die Reihenschaltung von Einzelmodulen
Je nach Applikationsfall kann diese Steuerung
Bei der Darstellung nach
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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