DE102017114383A1

DE102017114383A1 - Überspannungsableiter

Info

Publication number: DE102017114383A1
Application number: DE102017114383.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Meyer; Jan-Erik Schmutz; Rainer Durth; Hannes Sagebiel
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2037-06-29
Also published as: DE102017114383B4; CN109149371B; CN109149371A

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Überspannungsableiter zum Einsatz in der Stromversorgung von Niederspannungsnetzen, mit einem Gehäuse (2), mit zwei Elektroden (3, 4) und mit einer im Inneren des Gehäuses (2) ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer (5), wobei die beiden Elektroden (3, 4) jeweils mit der Lichtbogenbrennkammer (5) in Berührung stehen und zwischen den beiden Elektroden (3, 4) eine Funkenstrecke ausgebildet ist, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden (3, 4) ein Lichtbogen (6) entsteht.
Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter ist der Energieumsatz innerhalb des Überspannungsableiters dadurch verringert, dass mindestens eine dritte Elektrode (7) vorgesehen ist, die ebenfalls mit der Lichtbogenbrennkammer (5) in Berührung steht, wobei der Abstand a der ersten Elektrode (3) zur zweiten Elektrode (4) kleiner ist als der Abstand b der ersten Elektrode (3) zur dritten Elektrode (7), so dass die mindestens drei Elektroden (3, 4, 7) so zueinander angeordnet sind, dass beim Zünden der Funkenstrecke zunächst nur zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (4) ein erster Lichtbogen (6) ansteht und erst bei zunehmender Ionisierung der Lichtbogenbrennkammer (5) zusätzlich auch zwischen der zweiten Elektrode (4) und der dritten Elektrode (7) ein zweiter Lichtbogen (6') ansteht, und dass die erste Elektrode (3) und die dritte Elektrode (7) direkt oder über ein elektrische Bauelement (9) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter zum Einsatz in der Stromversorgung von Niederspannungsnetzen, mit einem Gehäuse, mit zwei Elektroden und mit einer im Inneren des Gehäuses ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer, wobei die beiden Elektroden jeweils mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung stehen und zwischen den beiden Elektroden eine Funkenstrecke ausgebildet ist, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen ansteht und über diese niederimpedante Verbindung ein abzuleitender Stoßstrom fließen kann.
Wenn Überspannungen auftreten, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der jeweiligen Nennspannung liegen, müssen die betroffenen Geräte, Anlagen und Leitungen in möglichst kurzer Zeit mit dem Potentialausgleich kurzgeschlossen werden. Dafür werden je nach Einsatzort (Schutzzone) und Art der zu schützenden Geräte und Anlagen unterschiedliche Überspannungsableiter verwendet. Die einzelnen Überspannungsableiter unterscheiden sich dabei im Wesentlichen durch ihr Ansprechverhalten und ihr Ableitvermögen.
In Niederspannungsnetzen werden zum Schutz vor Überspannungen häufig Überspannungsableiter auf Basis von Funkenstrecken eingesetzt, d. h. Überspannungsableiter deren wesentlicher Bestandteil eine Funkenstrecke ist, die bei einer bestimmten Überspannung anspricht. Beim Zünden der Funkenstrecke entsteht dabei zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen. Da Überspannungsableiter mit Funkenstrecken insbesondere zum Schutz bei energiereichen Ereignissen wie Blitzeinschlägen eingesetzt werden, können sehr hohe und steil ansteigende Ströme mit Werten bis in den dreistelligen kA-Bereich über die Funkenstrecke fließen.
Überspannungsableiter mit einer Funkenstrecke als Ableiter haben auf der einen Seite zwar den Vorteil einer hohen Stoßstromtragfähigkeit, auf der anderen Seite jedoch den Nachteil einer relativ hohen und auch nicht sonderlich konstanten Ansprechspannung. Daher werden zur Zündung von Funkenstrecken bereits seit langem unterschiedliche Arten von Zündhilfen verwendet, mit deren Hilfe die Ansprechspannung der Funkenstrecke bzw. des Überspannungsableiters verringert wird.
Bei Überspannungsableitern der in Rede stehenden Art - mit oder ohne Verwendung einer Zündhilfe - entsteht beim Zünden der Funkenstrecke über den Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden, über die dann zunächst der abzuleitende hochenergetische transiente Stoßstrom fließt. Bei anliegender Netzspannung kann über diese niederimpedante Verbindung jedoch auch ein unerwünschter Netzfolgestrom fließen, was jedenfalls zur Zerstörung einer vorgeschalteten Sicherung führen kann. Dann ist das Gerät oder die Anlage zwar vor einer Zerstörung durch die Überspannung geschützt, die Verfügbarkeit des Geräts bzw. der Anlage ist jedoch so lange nicht gegeben, bis die zerstörte Sicherung ersetzt worden ist.
Daher besteht eine wichtige Anforderung an moderne Überspannungsableiter darin, den Lichtbogen nach abgeschlossenem Ableitvorgang möglichst schnell zu löschen, damit es auch zu einem Erlöschen bzw. Unterdrücken des Netzfolgestroms kommt. Hierzu wird in der Regel versucht, die Lichtbogenspannung, d.h. die Spannung, die zwischen den beiden Elektroden anstehen muss, damit der Lichtbogen weiter brennt, so weit zu erhöhen, dass ein auftretender Netzfolgestrom unterdrückt oder reduziert wird. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Lichtbogenspannung besteht darin, die Lichtbogenlänge nach dem Ansprechen der Funkenstrecke zu vergrößern. Eine andere Möglichkeit, die Lichtbogenspannung nach dem Ableitvorgang zu erhöhen, besteht in der Kühlung des Lichtbogens durch die Kühlwirkung von Isolierstoffwänden, die Verwendung von Gas abgebenden Isolierstoffen sowie die Einengung des Lichtbogens in einen schmalen Spalt zwischen den Elektroden.
Das Verfahren der Erhöhung der Lichtbogenspannung durch Kühlung des Lichtbogens beispielsweise mittels eines Gas abgebenden Isolierstoffs ist relativ stark von der Höhe und der Dauer des abzuleitenden Stoßstroms abhängig. Energiereiche Ereignisse, wie Blitzeinschläge, führen zu einer starken Beblasung des Lichtbogens durch die Gas abgebenden Isolierstoffwände, so dass derartige Impulse mit hohen Energieumsätzen in der Regel zu einer schnellen Unterdrückung von Netzfolgeströmen führen. Bei kürzeren und damit energieärmeren Ereignissen kann dagegen die durch den Stoßstrom selber hervorgerufene Beblasung des Lichtbogens unter Umständen nicht zu einer ausreichenden Erhöhung der Lichtbogenspannung führen, so dass es erst verspätet zu einer Unterdrückung des Netzfolgestroms kommt. Daher muss hier durch eine ausreichend große Lichtbogenlänge sichergestellt werden, dass ein Netzfolgestrom zuverlässig gelöscht wird.
Die zur Unterdrückung eines Netzfolgestroms gewollte Erhöhung der Lichtbogenspannung weist unabhängig von dem realisierten Verfahren zur Erhöhung der Lichtbogenspannung den Nachteil auf, dass es aufgrund der erhöhten Lichtbogenspannung während des Ableitens des Stoßstroms zu einem erhöhten Energieumsatz innerhalb des Überspannungsableiters, insbesondere innerhalb der Lichtbogenbrennkammer kommt. Dies führt insbesondere bei weitgehend geschlossenen Überspannungsableitern, d.h. bei gekapselten, nicht ausblasenden Überspannungsableitern, zu Problemen, da die in Wärme umgesetzte Energie die Lichtbogenbrennkammer nur relativ langsam verlassen kann. Dadurch sind die die Lichtbogenbrennkammer umgebenden Materialien über eine relativ lange Zeit sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Besonders gefährdet sind dabei die zur Beblasung und Kühlung des Lichtbogens verwendeten Isolierstoffe. Darüber hinaus müssen die Überspannungsableiter auch in der Lage sein, den beim Ableiten eines Stoßstroms auftretenden hohen Drücken Stand zu halten, was aufwändige Konstruktionen erfordert.
Aus der DE 103 38 835 A1 ist ein Überspannungsableiter bekannt, bei dem das Auftreten eines Netzfolgestroms dadurch verhindert wird, dass der Abstand zwischen den beiden Elektroden so groß gewählt ist, dass die Lichtbogenspannung größer als die erwartete Netzspannung ist. Damit die Ansprechspannung dieses Überspannungsableiters durch den relativ großen Abstand der beiden Elektroden der Funkenstrecke nicht zu groß ist, ist eine Zündhilfe vorgesehen, durch die die gewünschte Ansprechspannung des Überspannungsableiters eingestellt werden kann. Bei diesem Überspannungsableiter weist die zylindrische Lichtbogenbrennkammer einen relativ geringen Durchmesser auf, der dem Durchmesser der freien Stirnseiten der einander gegenüberliegenden Elektroden entspricht. Darüber hinaus ist die Lichtbogenbrennkammer nahezu vollständig von einem isolierenden Material umgeben, was sowohl zu einer Kühlung als auch zu einer Einengung des Lichtbogens führt. Beides führt - wie zuvor beschrieben - zu einer gewollten Erhöhung der Lichtbogenspannung, damit jedoch auch zu einem unerwünschten hohen Energieumsatz innerhalb der Lichtbogenbrennkammer.
Um die nach dem Zünden des Lichtbogens innerhalb der Lichtbogenbrennkammer entstehende Wärme abzuführen, sind bei dem bekannten Überspannungsableiter Kühlkanäle im Gehäuse ausgebildet, die mit der Lichtbogenbrennkammer verbunden sind. So können die in der Lichtbogenbrennkammer beim Ableitvorgang durch den Lichtbogen produzierten heißen, ionisierten Gase aus der Lichtbogenbrennkammer und schließlich auch aus dem Gehäuse abgeführt werden. Damit die aus dem Gehäuse ausströmenden Gase keine zu hohe Temperatur aufweisen, müssen die Kühlkanäle so ausgebildet sein, dass sie eine ausreichend lange Wegstrecke zur Verfügung stellen, die das Plasma im Gehäuse entlangströmt. Bei dem aus der DE 103 38 835 A1 bekannten Überspannungsableiter wird dies dadurch erreicht, dass das metallische Gehäuse zweiteilig ausgebildet ist und die beiden Gehäusehälften koaxial zueinander angeordnet sind. Zwischen den beiden Gehäuseteilen sind dabei schraubenförmige Kühlkanäle angeordnet, die zur Verschraubung der beiden Gehäuseteile miteinander dienen und durch die gleichzeitig auch das Plasma strömen kann.
Damit bei dem Überspannungsableiter die auftretenden hohen Drücke und Temperaturen beherrscht werden können, sind die konstruktiven Anforderungen an das Gehäuse und die die Lichtbogenbrennkammer umgebenden Materialien sehr hoch. Insbesondere muss zur Gewährleistung einer ausreichenden mechanischen Stabilität die Wandstärke der beiden Gehäuseteile, die zusammen das metallische Gehäuse bilden, relativ groß sein, was zu einem entsprechend vergrößerten Außendurchmesser des Gehäuses insgesamt führt. Außerdem sind zur Kühlung der aus dem Gehäuse ausströmenden Gase schraubenförmige Kühlkanäle zwischen den beiden Gehäuseteilen angeordnet, was den Fertigungsaufwand der Gehäuseteile entsprechend erhöht.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs beschriebenen Überspannungsableiter derart weiterzuentwickeln, dass die zuvor genannten Nachteile nach Möglichkeit vermieden werden. Insbesondere soll dabei erreicht werden, dass der Energieumsatz innerhalb des Überspannungsableiters beim Ableiten des Stoßstroms möglichst gering ist. Ein Netzfolgestrom soll dennoch sicher und möglichst schnell gelöscht werden können.
Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Überspannungsableiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass mindestens eine dritte Elektrode vorgesehen ist, die ebenfalls mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung steht, wobei der Abstand a zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kleiner ist als der Abstand b zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode, und dass die erste Elektrode und die dritte Elektrode direkt oder über ein elektrisches Bauelement miteinander verbunden sind. Der geometrische Aufbau des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters, bei dem die dritte Elektrode einen größeren Abstand von der ersten Elektrode aufweist als die zweite Elektrode, führt dazu, dass beim Zünden der Funkenstrecke zunächst nur zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein erster Lichtbogen ansteht und erst bei zunehmender Ionisierung der Lichtbogenbrennkammer zusätzlich auch zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode ein zweiter Lichtbogen zündet.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter mindestens eine dritte Elektrode vorgesehen ist, weist die Lichtbogenbrennkammer zwei Bereiche auf, bzw. bei mehr als drei Elektroden entsprechend auch mehrere Bereiche. Wird über den erfindungsgemäßen Überspannungsableiter ein energiearmer, kürzerer Impuls abgeleitet, so fliest dieser über den Lichtbogen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. In diesem Fall ist die in der Lichtbogenbrennkammer entstehende Ionisierung nicht so weit fortgeschritten bzw. die entstehende Plasmawolke hat sich noch nicht so weit ausgebreitet, dass auch zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode ein Lichtbogen zündet. Mit zunehmender Dauer des abzuleitenden Impulses steigt jedoch die Ionisierung in der Lichtbogenbrennkammer bzw. die Plasmawolke breitet sich weiter in Richtung der dritten Elektrode aus, so dass es dann zusätzlich auch zu einer Zündung eines zweiten Lichtbogens zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode kommt.
Damit ist ein Überspannungsableiter geschaffen, bei dem in Abhängigkeit vom Energieinhalt des abzuleitenden Stoßstroms ein Lichtbogen entweder nur zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ansteht oder zusätzlich, zeitlich verzögert, noch ein weiterer Lichtbogen zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode zündet. Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, dass ein Stoßstrom mit geringerem Energiegehalt über den Lichtbogen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgeleitet wird, wobei hier die Lichtbogenbrennspannung relativ hoch gewählt werden kann, so dass der Lichtbogen nach abgeschlossenem Ableitvorgang schnell verlöscht und damit ein Netzfolgestrom unterdrückt werden kann. Da der Energiegehalt des abzuleitenden Stoßstroms bzw. dessen Zeitdauer sehr kurz ist, ist der Energieumsatz innerhalb des Überspannungsableiters trotz der erhöhten Lichtbogenspannung nicht so hoch, dass es zu einer unzulässigen Belastung und zu einem zu großen Verschleiß der die Lichtbogenbrennkammer umgebenden Materialien kommt.
Ist die Zeitdauer des über den erfindungsgemäßen Überspannungsableiter abzuleitenden Stoßstroms jedoch länger, so führt dies dazu - wie zuvor beschrieben - dass innerhalb der Lichtbogenbrennkammer auch der Bereich zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode so stark ionisiert ist, dass es auch zur Zündung eines Lichtbogens zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode kommt. Da die erste Elektrode und die dritte Elektrode direkt oder über ein elektrisches Bauelement miteinander verbunden sind, liegen der erste Lichtbogen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und der zweite Lichtbogen zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode parallel zueinander, d. h. es ergeben sich zwei parallele Pfade über die der abzuleitende Stoßstrom fließt. Die Gesamtimpedanz dieser Parallelschaltung der beiden Pfade ist dabei geringer als die Impedanz der beiden einzelnen Pfad, was zu einer Reduzierung des Energieumsatzes beim Ableiten des Stoßstroms in der Lichtbogenbrennkammer führt.
Der zuvor beschriebene geometrische Aufbau des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters, insbesondere die Anordnung der drei Elektroden zueinander kann dabei in der Praxis so festgelegt werden, dass ein energiearmer Impuls mit der Impulsform „8/20 µs“ über einen ersten Lichtbogen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode abgeleitet wird, während ein energiereicher Impuls mit der Impulsform „10/350 µs“ zusätzlich auch über einen zweiten Lichtbogen zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode abgeleitet wird.
Um die zuvor beschriebene Reduzierung des Energieumsatzes beim Ableiten des Stoßstroms sicher zu erreichen, muss gewährleistet werden, dass nach dem Zünden des zweiten Lichtbogens zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode der abzuleitende Stoßstrom über beide Pfade fließt. Es sollte also durch geeignete konstruktive und/oder schaltungstechnische Maßnahmen verhindert werden, dass der Lichtbogen vollständig vom ersten Pfad auf den zweiten Pfad kommutiert und dann nur noch der zweite Lichtbogen brennt und ausschließlich über diesen der Stoßstrom abgeleitet wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist dieser geometrisch so ausgelegt, dass der Abstand a zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kleiner ist als der Abstand c zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Querschnitt A der Lichtbogenbrennkammer im Bereich zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode größer als der Querschnitt C der Lichtbogenbrennkammer im Bereich zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode gewählt werden. Ein geringerer Querschnitt der Lichtbogenbrennkammer führt zu einer stärkeren Einschnürung bzw. Einengung des Lichtbogens in diesem Bereich. Durch beide Maßnahmen wird somit erreicht, dass die Impedanz des Strompfades über die zweite Funkenstrecke zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode höher ist als die Impedanz des Strompfades über die erste Funkenstrecke zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist dieser geometrisch so ausgelegt, dass der Abstand a zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode nicht kleiner ist als der Abstand c zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode. Der Abstand a zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist somit kleiner als der Abstand c oder genauso groß wie der Abstand c zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Querschnitt A der Lichtbogenbrennkammer im Bereich zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode nicht größer als der Querschnitt C der Lichtbogenbrennkammer im Bereich zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode gewählt werden. Zusätzlich ist dabei die erste Elektrode über eine Impedanz mit der dritten Elektrode elektrisch verbunden, so dass auch bei dieser Ausgestaltung sichergestellt werden kann, dass die Impedanz des Strompfades über die zweite Funkenstrecke höher ist als die Impedanz des Strompfades über die erste Funkenstrecke. Damit ist gewährleistet, dass nach dem Zünden der zweiten Funkenstrecke der Lichtbogen nicht vollständig vom ersten Pfad auf den zweiten Pfad kommutiert.
Eingangs ist ausgeführt worden, dass mindestens eine dritte Elektrode vorgesehen ist, deren Abstand b zur ersten Elektrode größer ist als der Abstand a der zweiten Elektrode zur ersten Elektrode. Gemäß der Erfindung können zusätzlich zur dritten Elektrode auch noch weitere Elektroden, also beispielsweise eine vierte Elektrode und eine fünfte Elektrode vorgesehen sein, die dann jeweils ihrerseits einen größeren Abstand zur ersten Elektrode als die vorherige Elektrode aufweisen. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei entsprechend längeren abzuleitenden Stoßströmen mit zunehmender Zeitdauer und damit zunehmender Ionisierung der Lichtbogenbrennkammer zusätzliche Lichtbögen zwischen jeweils weiteren benachbarten Elektroden, also beispielsweise zwischen der dritten Elektrode und einer vierten Elektrode gezündet werden. Wenn dabei auch die weiteren Elektroden direkt oder über ein elektrisches Bauelement mit der ersten Elektrode oder der dritten Elektrode verbunden sind, so führt dies zu einer weiteren Reduzierung der Gesamtimpedanz der gezündeten Funkenstrecke und damit zu einer Reduzierung des Energieumsatzes innerhalb der Lichtbogenbrennkammer.
Es gibt eine Mehrzahl von Möglichkeiten, wie der Überspannungsableiter und insbesondere die Lichtbogenbrennkammer und die einzelnen Elektroden konstruktiv und geometrisch ausgestaltet werden können. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Elektrode scheibenförmig ausgebildet und derart angeordnet, dass sie die Lichtbogenbrennkammer auf der einen Seite begrenzt. Die zweite und die dritte Elektrode sind dagegen jeweils ringförmig ausgebildet und so angeordnet, dass sie die Lichtbogenbrennkammer bereichsweise radial begrenzen. Die Lichtbogenbrennkammer erstreckt sich somit durch die zweite und dritte Elektrode hindurch, wobei die beiden Elektroden in Längsrichtung der Lichtbogenbrennkammer hintereinander angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung und Anordnung der Elektroden kann die Lichtbogenbrennkammer zylinderförmig ausgebildet sein. Ebenso ist es jedoch auch möglich, dass sich der Durchmesser der Lichtbogenbrennkammer in Längsrichtung verändert, beispielsweise ausgehend von der ersten Elektrode in Richtung der dritten Elektrode verringert.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann auch die erste Elektrode ringförmig ausgebildet sein, wobei dann die Lichtbogenbrennkammer auf der der ersten Elektrode benachbarten Seite von einem Material aus Isolierstoff, insbesondere einem gasen Isolierstoff begrenzt ist. Ist neben der zweiten Elektrode auch die dritte Elektrode ringförmig ausgebildet, so ist die Lichtbogenbrennkammer auch auf der zweiten Seite von einem isolierenden Material begrenzt. Dabei kann auf dieser, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Lichtbogenbrennkammer eine Öffnung als Durchgang zu einem Ausblaskanal in dem isolierenden Material ausgebildet sein. Grundsätzlich besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, dass die dritte Elektrode nicht ringförmig, sondern scheibenförmig ausgebildet ist, so dass dann die Lichtbogenbrennkammer auf der zweiten Seite von der dritten Elektrode begrenzt ist. Hierbei ist dann vorzugsweise in der dritten Elektrode eine Öffnung als Durchgang zu einem Ausblaskanal ausgebildet.
Eingangs ist ausgeführt worden, dass die erste Elektrode und die dritte Elektrode direkt oder über ein elektrisches Bauelement miteinander verbunden sind. Sind die erste Elektrode und die dritte Elektrode direkt elektrisch leitend miteinander verbunden, so weisen beide Elektroden dasselbe Potential auf. Alternativ dazu können die erste Elektrode und die dritte Elektrode auch über ein elektrisches Bauelement, beispielsweise eine Impedanz miteinander verbunden werden, wobei durch die Wahl der Impedanz eine Steuerung des Spannungsabfalls zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode möglich ist. Alternativ zu einem linearen Widerstand als Impednaz kann auch ein nicht lineares Widerstandselement als elektrisches Bauelement verwendet werden, beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand, also ein Kaltleiter oder ein Heißleiter.
Darüber hinaus kann als elektrisches Bauelement, über das die erste Elektrode und die dritte Elektrode miteinander verbunden sind, auch ein spannungsschaltendes Element, beispielsweise ein gasgefüllter Überspannungsableiter oder ein spannungsbegrenzendes Bauelement, beispielsweise ein Varistor oder eine Suppresserdiode, eingesetzt werden. Selbstverständlich ist auch eine Kombination der zuvor genannten elektrischen Bauelemente denkbar.
Zur gezielten Beeinflussung der Strömung des heißen ionisierten Gases innerhalb der Lichtbogenbrennkammer ist die die Lichtbogenbrennkammer umgebende Wand zumindest im Bereich zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zumindest teilweise aus einem gasenden Isolierstoff, beispielsweise POM ausgebildet. Hierdurch kann die Strömung des Plasmas von der ersten Elektrode zur zweiten Elektrode und weiter zur dritten Elektrode eingestellt werden, so dass darüber auch der Zeitpunkt beeinflusst werden kann, wann zusätzlich zum ersten Lichtbogen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode auch ein zweiter Lichtbogen zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode zündet. Die Zeitpunkte der Zündung der beiden Lichtbögen kann darüber hinaus auch über die Abstände der Elektroden zueinander sowie über die Form der Lichtbogenbrennkammer beeinflusst werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Strömung des heißen ionisierten Gases innerhalb der Lichtbogenbrennkammer zu beeinflussen besteht darüber hinaus darin, dass in der der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Lichtbogenbrennkammer mindestens eine Öffnung ausgebildet ist. Eine derartige Öffnung ermöglicht darüber hinaus auch ein gezieltes Abströmen des Plasmas aus der Lichtbogenbrennkammer, wodurch der Druck innerhalb der Lichtbogenbrennkammer gezielt verringert werden kann. Darüber hinaus kann durch die Öffnung bzw. die Öffnungen ein zusätzlicher Kühleffekt und ein schnelleres Unterdrücken eines aufgetretenen Netzfolgestroms erreicht werden.
Damit bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter die Ansprechspannung auf einen ausreichend niedrigen und konstanten Wert eingestellt werden kann, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Zündhilfe vorgesehen. Grundsätzlich kann dabei die Zündung der Funkenstrecke auf unterschiedliche Arten erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Zündhilfe vorgesehen, die zumindest ein Zündelement und eine Zündelektrode umfasst. Das Zündelement und die Zündelektrode stehen dabei mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung, wobei das Zündelement auf der einen Seite mit der ersten Elektrode und auf der anderen Seite mit der Zündelektrode elektrisch leitend verbunden ist. Zusätzlich weist die Zündhilfe vorzugsweise noch ein Spannungsschaltelement auf, so dass die Zündhilfe von ihrem grundsätzlichen Aufbau so aufgebaut ist, wie auch die in der DE 103 38 835 A1 beschriebene Zündhilfe aufgebaut ist.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Überspannungsableiter auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters, im Schnitt,
2 eine Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters, im Schnitt, ohne Gehäuse, und
3 eine Prinzipdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters, im Schnitt, ohne Gehäuse.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters 1 im Schnitt. Der Überspannungsableiter 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem eine erste Elektrode 3 und eine zweite Elektrode 4 angeordnet sowie eine Lichtbogenbrennkammer 5 ausgebildet sind. Neben dem in 1 nur schematisch dargestellten Gehäuse 2 kann der Überspannungsableiter 1 zusätzlich noch ein Außengehäuse aufweisen, welches beispielsweise aus Stahl besteht, wodurch eine hohe Druckfestigkeit gewährleistet wird.
Zwischen den beiden Elektroden 3, 4, die jeweils mit der Lichtbogenbrennkammer 5 in Berührung stehen, ist eine Funkenstrecke ausgebildet, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden 3, 4 ein erster Lichtbogen 6 ansteht. Beim Zünden der Funkenstrecke entsteht so über den Lichtbogen 6 eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden 3, 4, über die der abzuleitende transiente Stoßstrom fließen kann. Hierzu ist beispielsweise die erste Elektrode 3 mit dem Neutralleiter-Anschluss oder dem PE-Anschluss und die zweite Elektrode 4 mit einem Anschluss für eine Phase der zu schützenden Stromversorgung verbunden.
Neben der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 ist darüber hinaus noch eine dritte Elektrode 7 vorgesehen, die ebenfalls mit der Lichtbogenbrennkammer 5 in Berührung steht. Diese dritte Elektrode 7 ist bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine elektrisch leitende Verbindung 8 als Rückpfad direkt mit der ersten Elektrode 3 verbunden. Im Unterschied dazu sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 die erste Elektrode 3 und die dritte Elektrode 7 nicht direkt sondern über ein elektrisches Bauelement 9 miteinander verbunden. Bei dem elektrischen Bauelement 9 kann es sich insbesondere um einen Widerstand 9' oder um ein Spannungsschaltelement, beispielsweise einen Varistor oder einen gasgefüllten Überspannungsableiter 9" handeln, wie dies in 2 als Alternativen angedeutet ist.
Wie aus der Prinzipdarstellung gemäß den 1 und 2 ersichtlich ist, ist der Abstand a zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 kleiner als der Abstand b zwischen der ersten Elektrode 3 und der dritten Elektrode 7. In Längsrichtung der Lichtbogenbrennkammer 5 ist somit, ausgehend von der ersten Elektrode 3 zunächst die zweite Elektrode 4 und dann die dritte Elektrode 7 angeordnet. Außerdem ist der Abstand c zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7 größer als der Abstand a zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4. Der Querschnitt der Lichtbogenbrennkammer 5 ist über ihre gesamte Länge konstant, so dass auch der Querschnitt A im Bereich zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 genauso groß ist wie der Querschnitt C im Bereich zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7. Beiden Ausführungsbeispielen ist darüber gemeinsam, dass die erste Elektrode 3 scheibenförmig ausgebildet ist und die Lichtbogenbrennkammer 5 auf der ersten Seite 5a begrenzt. Dagegen sind die zweite Elektrode 4 und die dritte Elektrode 7 jeweils ringförmig ausgebildet, so dass die beiden Elektroden 4, 7 die Lichtbogenbrennkammer 5 mit ihren Innenflächen radial begrenzen.
Die die Lichtbogenbrennkammer 5 zwischen den Elektroden 4, 7 radial umgebende Wand 10 besteht aus einem Isolierstoff, wobei zumindest der Bereich der Wand 10 zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 vorzugsweise aus einem gasenden Isolierstoff, beispielsweise POM besteht. Dadurch ist eine Beeinflussung der Strömung des heißen ionisierten Gases innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 möglich, so dass sich das Plasma nach dem Zünden des ersten Lichtbogens 6 zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 in Richtung der dritten Elektrode 7 ausbreitet. Wird über den Überspannungsableiter 1 ein energiearmer, kürzerer Impuls abgeleitet, so fließt dieser über den Lichtbogen 6 zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4. Mit zunehmender Dauer des abzuleitenden Impulses steigt die Ionisierung in der Lichtbogenbrennkammer 5 bzw. die Plasmawolke breitet sich weiter in Richtung der dritten Elektrode 7 aus, so dass es dann zusätzlich auch zu einer Zündung eines zweiten Lichtbogens 6' zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7 kommt.
Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter 1 entsteht somit in Abhängigkeit vom Energieinhalt des abzuleitenden Stoßstroms ein Lichtbogen 6 entweder nur zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 oder zusätzlich, zeitlich verzögert noch ein weiterer Lichtbogen 6' zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7. Ein Stoßstrom mit geringerem Energiegehalt wird somit nur über den Lichtbogen 6 zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 abgeleitet, wobei hier die Lichtbogenbrennspannung relativ hoch ist, so dass der Lichtbogen 6 nach abgeschlossenem Ableitvorgang schnell verlöscht und damit ein Netzfolgestrom wirksam unterdrückt wird.
Ist die Zeitdauer des abzuleitenden Stoßstroms länger, so führt dies dazu, dass sich das ionisierte Gas innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 weiter in Richtung der dritten Elektrode 7 ausbreitet, so dass dann auch der Bereich zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7 so stark ionisiert ist, dass es zur Zündung des zweiten Lichtbogens 6' zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7 kommt. Die beiden Lichtbögen 6, 6' bilden dabei zwei parallele Pfade zwischen der zweiten Elektrode 4 und der ersten Elektrode 3 bzw. zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7, so dass die Gesamtimpedanz dieser Parallelschaltung der beiden Pfade geringer ist als die Impedanz der beiden einzelnen Pfad, was zu einer Reduzierung des Energieumsatzes beim Ableiten des Stoßstroms in der Lichtbogenbrennkammer 5 führt. Beide Lichtbögen 6, 6' brennen dann bei einer geringeren Lichtbogenbrennspannung, im Vergleich zu dem Fall, dass nur der erste Lichtbogen 6 brennt. Dies führt dazu, dass auch bei einem energiereichen abzuleitenden Impuls der Energieumsatz innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 nicht so hoch wird, dass es zu einer unzulässigen Belastung oder gar zu einer Beschädigung des Überspannungsableiters 1 kommt.
Bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 wird dadurch, dass der Abstand a zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 kleiner ist als der Abstand c zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7 erreicht, dass die Impedanz des Strompfades über die erste Funkenstrecke zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 geringer ist als die Impedanz des Strompfades über die zweite Funkenstrecke zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7. Hierdruch wird verhindert, dass nach dem Zünden der zweiten Funkenstrecke der abzuleitende Stoßstrom nur noch über den zweiten Pfad bzw. den zweiten Lichtbogen 6' fließt.
Alternativ kann eine Erhöhung der Impedanz des zweiten Lichtbogens 6' auch dadurch erreicht werden, dass der Querschnitt C der Lichtbogenbrennkammer 5 im Bereich zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7 kleiner ist als der Querschnitt A der Lichtbogenbrennkammer 5 im Bereich zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4. Hierdurch erfolgt eine stärkere Einschnürung des zweiten Lichtbogens 6' und zusätzlich bei entsprechender Wahl des Materials der umgebenden Wand 10 auch eine gezielte, stärkere Kühlung des Lichtbogens 6', was beides zu einer Erhöhung der Impedanz des zweiten Lichtbogens 6' führt. Diese Ausgestaltung ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 realisiert. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist der Abstand a zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 genauso groß der Abstand c zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7. Es ist jedoch auch möglich, dass der Abstand a zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 kleiner oder größer als der Abstand c zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7 gewählt wird, solange die Impedanz des Strompfades über die erste Funkenstrecke zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 nicht größer ist als die Impedanz des Strompfades über die zweite Funkenstrecke zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7.
Schließlich ist eine Einstellung der Impedanz des zweiten Strompfades auch über die Wahl des elektrischen Bauelements 9 möglich, über das die erste Elektrode 3 mit der dritten Elektrode 7 verbunden ist. Darüber hinaus können für die einzelnen Elektroden 3, 4, 7 auch unterschiedlichen Materialien verwendet werden oder die Elektroden 3, 4, 7 können unterschiedliche Abmessungen, insbesondere unterschiedliche Dicken aufweisen. Außerdem können die zuvor beschriebenen Maßnahmen auch miteinander kombiniert werden, also beispielsweise der Querschnitt C der Lichtbogenbrennkammer 5 im Bereich zwischen der zweiten Elektrode 4 und der dritten Elektrode 7 kleiner sein als der Querschnitt A der Lichtbogenbrennkammer 5 im Bereich zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 und zusätzlich die erste Elektrode 3 und die dritte Elektrode 7 über eine Impedanz 9' miteinander verbunden sein.
Um eine gezielte Beeinflussung der Strömung des heißen ionisierten Gases innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 und insbesondere ein gezieltes Abströmen des heißen Gases aus der Lichtbogenbrennkammer 5 zu ermöglichen, ist auf der der ersten Seite 5a gegenüberliegenden zweiten Seite 5b der Lichtbogenbrennkammer 5 eine Öffnung 11 in der die Lichtbogenbrennkammer 5 begrenzenden Wand 10 ausgebildet, die mit einem Ausblaskanal 12 verbunden ist. Durch die Öffnung 11 und den Ausblaskanal 12 kann somit heißes ionisiertes Gas gezielt aus der Lichtbogenbrennkammer 5 ausströmen, wodurch auch der Druck innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 gezielt verringert werden kann. Um eine ausreichende Abkühlung des heißen Gases vor dem Austritt aus dem Überspannungsableiter 1 zu erreichen, verläuft der Ausblaskanal 12 vorzugsweise entlang des aus Metall bestehenden Außengehäuses.
Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter 1 ist der Abstand a zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 so groß gewählt, dass ein Netzfolgestrom ausreichend schnell und zuverlässig gelöscht werden kann, auch bei einem energieärmeren Stoßstrom, bei dem die Isolierstoffwand 10 nur weniger Gas abgibt. Damit dabei die Ansprechspannung des Überspannungsableiters 1 nicht zu groß ist, ist eine Zündhilfe 13 vorgesehen, die ein Zündelement 14, eine Zündelektrode 15 und einen Varistor 16 aufweist. Das Zündelement 14 und die Zündelektrode 15 stehen dabei mit der Lichtbogenbrennkammer 5 in Berührung, wobei das Zündelement 14 auf der einen Seite mit der ersten Elektrode 3 und auf der anderen Seite mit der Zündelektrode 15 elektrisch leitend verbunden ist.
Steht an dem Überspannungsableiter 1 eine Überspannung an, die größer ist als die Schwellspannung des Varistors 16, so fließt zunächst ein Strom über den Varistors 16, die Zündelektrode 15 und das Zündelement 14 zur ersten Elektrode 3. Dabei kommt es aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit des Zündelements 14 zu einer Ionisierung in der Lichtbogenbrennkammer 5, die zu einem Zünden des ersten Lichtbogens 6 zwischen der ersten Elektrode 3 und der zweiten Elektrode 4 führt. Daneben können jedoch auch andere Arten von - für sich aus dem Stand der Technik - bekannten Zündhilfen eingesetzt werden, die zu einer Zündung des Überspannungsableiters 1 bei der gewünschten Ansprechspannung führen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10338835 A1 [0009, 0010, 0028]

Claims

Überspannungsableiter zum Einsatz in der Stromversorgung von Niederspannungsnetzen, mit einem Gehäuse (2), mit zwei Elektroden (3, 4) und mit einer im Inneren des Gehäuses (2) ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer (5), wobei die beiden Elektroden (3, 4) jeweils mit der Lichtbogenbrennkammer (5) in Berührung stehen und zwischen den beiden Elektroden (3, 4) eine Funkenstrecke ausgebildet ist, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden (3, 4) ein Lichtbogen (6) ansteht, so dass über diese niederimpedante Verbindung ein abzuleitender Stoßstrom fließen kann, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine dritte Elektrode (7) vorgesehen ist, die ebenfalls mit der Lichtbogenbrennkammer (5) in Berührung steht, wobei der Abstand a der ersten Elektrode (3) zur zweiten Elektrode (4) kleiner ist als der Abstand b der ersten Elektrode (3) zur dritten Elektrode (7), so dass die mindestens drei Elektroden (3, 4, 7) so zueinander angeordnet sind, dass beim Zünden der Funkenstrecke zunächst nur zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (4) ein erster Lichtbogen (6) ansteht und erst bei zunehmender Ionisierung der Lichtbogenbrennkammer (5) zusätzlich auch zwischen der zweiten Elektrode (4) und der dritten Elektrode (7) ein zweiter Lichtbogen (6') ansteht, und dass die erste Elektrode (3) und die dritte Elektrode (7) direkt oder über ein elektrisches Bauelement (9) miteinander verbunden sind.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (4) kleiner ist als der Abstand c zwischen der zweiten Elektrode (4) und der dritten Elektrode (7) und/oder dass der Querschnitt A der Lichtbogenbrennkammer (5) im Bereich zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (4) größer ist als der Querschnitt C der Lichtbogenbrennkammer (5) im Bereich zwischen der zweiten Elektrode (4) und der dritten Elektrode (7).
Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (3) über eine Impedanz als elektrisches Bauelement (9) mit der dritten Elektrode (7) elektrisch verbunden ist.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand a zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (4) nicht kleiner ist als der Abstand c zwischen der zweiten Elektrode (4) und der dritten Elektrode (7) und/oder dass der Querschnitt A der Lichtbogenbrennkammer (5) im Bereich zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (4) nicht größer ist als der Querschnitt C der Lichtbogenbrennkammer (5) im Bereich zwischen der zweiten Elektrode (4) und der dritten Elektrode (7) und dass die erste Elektrode (3) über eine Impedanz als elektrisches Bauelement (9) mit der dritten Elektrode (7) elektrisch verbunden ist.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (3) über ein spannungsbegrenzendes Element als elektrisches Bauelement (9), insbesondere einen Varistor, und/oder ein spannungsschaltendes Element als elektrisches Bauelement (9), insbesondere einen gasgefüllten Überspannungsableiter, mit der dritten Elektrode (7) elektrisch verbunden ist.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (3) scheibenförmig ausgebildet ist und die Lichtbogenbrennkammer (5) auf der einen Seite (5a) begrenzt ist, und dass die zweite Elektrode (4) und die dritte Elektrode (7) jeweils ringförmig ausgebildet sind, die Lichtbogenbrennkammer (5) bereichsweise radial begrenzen und in Längsrichtung der Lichtbogenbrennkammer (5) hintereinander angeordnet sind.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Lichtbogenbrennkammer (5) umgebenden Wand (10) zumindest im Bereich zwischen der ersten Elektrode (3) und der zweiten Elektrode (4) zumindest teilweise aus einem gasenden Isolierstoff, beispielsweise POM besteht.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (4) und die dritte Elektrode (7) unterschiedliche Abmessungen, insbesondere unterschiedliche Innendurchmesser oder Dicken aufweisen oder aus unterschiedlichen Materialen bestehen.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der ersten Seite (5a) gegenüberliegenden Seite (5b) der Lichtbogenbrennkammer (5) eine Öffnung (11) zu einem Ausblaskanal (12) ausgebildet ist, durch den heißes ionisiertes Gas aus der Lichtbogenbrennkammer (5) ausströmen kann.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündhilfe (13) vorgesehen ist, die ein Zündelement (14) und eine Zündelektrode (15) umfasst, wobei das Zündelement (14) und die Zündelektrode (15) mit der Lichtbogenbrennkammer (5) in Berührung stehen und das Zündelement (14) auf der einen Seite mit der ersten Elektrode (3) und auf der anderen Seite mit der Zündelektrode (15) elektrisch leitend verbunden ist.