DE102018131537B4 - Spark gap arrangement for a multi-stacked spark gap - Google Patents
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Abstract
Funkenstreckenanordnung (10; 10'; 10''), aufweisend eine Mehrfach-Funkenstrecke (20) mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken in Stapelanordnung, wobei eine Einzelfunkenstrecke jeweils durch zwei Elektroden (21; 22) gebildet wird, die durch wenigstens ein Isolierstoffelement (23) voneinander getrennt sind, und die Stapelanordnung aus Einzelfunkenstrecken in Stapelrichtung federnd zwischen zwei gegenüberliegenden Halteelementen (30; 31) eingespannt ist, wobei die Halteelemente (30; 31) mit einer Rahmenstruktur verbunden sind, die als Widerlager für beide Halteelemente (30; 31) wirkt, und die Halteelemente (30; 31) metallisch und unmittelbar elektrisch voneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenstruktur durch zwei Isolierplatten (40; 41) gebildet ist, zwischen denen die Mehrfach-Funkenstrecke (20) angeordnet ist, und jedes Halteelement (30; 31) mit beiden Isolierplatten (40; 41) verbunden ist.Spark gap arrangement (10; 10'; 10''), having a multiple spark gap (20) with a plurality of series-connected individual spark gaps in a stack arrangement, each individual spark gap being formed by two electrodes (21; 22) which are formed by at least one insulating material element ( 23) are separated from one another, and the stack arrangement of individual spark gaps is clamped resiliently in the stacking direction between two opposing holding elements (30; 31), the holding elements (30; 31) being connected to a frame structure which acts as an abutment for both holding elements (30; 31 ) acts, and the holding elements (30; 31) are metallically and directly electrically insulated from one another, characterized in that the frame structure is formed by two insulating plates (40; 41) between which the multiple spark gap (20) is arranged, and each Holding element (30; 31) is connected to the two insulating plates (40; 41).
Description
Die Erfindung geht aus von einer Funkenstreckenanordnung, aufweisend eine Mehrfach-Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken in Stapelanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a spark gap arrangement having a multiple spark gap with a plurality of individual spark gaps connected in series in a stack arrangement according to the preamble of claim 1.
Im Bereich des Überspannungsschutzes von elektrischen Geräten bzw. Anlagen werden Überspannungsschutzelemente eingesetzt, die bei einer bestimmten Überspannung ansprechen, welche bei einem Überspannungsereignis ansonsten zu Störungen und/oder Schäden in einem Stromkreis führen würde. Als solche Überspannungsschutzelemente können beispielsweise Überspannungsableiter eingesetzt werden, die auf Funkenstrecken basieren. Insbesondere zur Ableitung von sogenannten transienten Überspannungen mit sehr hohen Amplituden haben sich Funkenstrecken bewährt. Sobald eine Funkenstrecke gezündet hat, wird eine leitfähige Verbindung über die Lichtbogenstrecke der Funkenstrecke hergestellt, über welche der Hochspannungsimpuls dann abgeleitet wird.In the area of overvoltage protection for electrical devices or systems, overvoltage protection elements are used that respond to a specific overvoltage, which would otherwise lead to disruptions and/or damage in an electrical circuit in the event of an overvoltage event. Surge arresters based on spark gaps, for example, can be used as such overvoltage protection elements. Spark gaps have proven their worth, particularly for diverting so-called transient overvoltages with very high amplitudes. As soon as a spark gap has ignited, a conductive connection is established across the arc gap of the spark gap, through which the high-voltage pulse is then dissipated.
Dabei kommen insbesondere Funkenstrecken zum Einsatz, die den Netzfolgestrom minimieren oder sogar netzfolgestromfrei betrieben werden. Der Netzfolgestrom ist der Teil eines Stromflusses, der nach dem Ableiten eines Überspannungsereignisses, vom Stromversorgungsnetz aus, durch eine Funkenstrecke fließt. Ein solcher Netzfolgestrom kann bis zu einigen Millisekunden andauern und die Intensität eines Kurzschlussstroms haben. Daher stellen Netzfolgeströme eine Belastung für die gesamte elektrische Installation dar, die es zu verhindern gilt.In particular, spark gaps are used that minimize the mains follow current or are even operated without mains follow current. The mains follow current is the part of a current flow that flows through a spark gap after dissipating an overvoltage event from the power supply network. Such a mains follow current can last up to a few milliseconds and have the intensity of a short-circuit current. Therefore, mains follow currents represent a load for the entire electrical installation that must be prevented.
Um eine Funkenstrecke netzfolgestromfrei zu betreiben, haben sich insbesondere Mehrfach-Funkenstrecken als vorteilhaft erwiesen, bei denen mehrere Einzelfunkenstrecken in Reihe geschaltet sind. Diese Mehrfach-Funkenstrecken werden auch als Multiarc-Funkenstrecken (MAFS) bezeichnet, die auf dem Prinzip der Lichtbogenvervielfältigung basieren. Zur Bildung einer Mehrfach-Funkenstrecke werden in bestimmten Ausführungsformen mehrere scheibenförmige Elektroden zu einem Stapel zusammengefügt, wobei diese Elektrodenscheiben beispielsweise aus Carbon oder Graphit bestehen. Zwischen den einzelnen Elektroden wird jeweils eine dünne Folie oder Scheibe aus einem Isolierstoff angeordnet. So ergeben sich mehrere Einzelfunkenstrecken zwischen den Elektroden, die über eine entsprechend ausgebildete Spannungssteuerung gezündet werden können.In order to operate a spark gap without a mains follow current, multiple spark gaps in which several individual spark gaps are connected in series have proven particularly advantageous. These multiple spark gaps are also known as multi-arc spark gaps (MAFS), which are based on the principle of arc multiplication. In order to form a multiple spark gap, in certain embodiments a plurality of disc-shaped electrodes are joined together to form a stack, these electrode discs being made of carbon or graphite, for example. A thin foil or disk made of an insulating material is placed between the individual electrodes. This results in a number of individual spark gaps between the electrodes, which can be ignited via an appropriately designed voltage controller.
Die Multiarc-Funkenstrecken-Technologie hat den Vorteil einer sehr konstanten, stromunabhängigen Bogenspannung, die über die Anzahl der Elektrodenscheiben sehr gut an die Betriebsspannungsverhältnisse angepasst werden kann. So können Netzfolgeströme bei geeigneter Dimensionierung nahezu vollständig ausgeschlossen werden. Insbesondere im Hinblick auf einen Einsatz in Wechselstromnetzen ergeben sich so wesentliche Vorteile.The multi-arc spark gap technology has the advantage of a very constant, current-independent arc voltage, which can be very well adapted to the operating voltage conditions via the number of electrode disks. With suitable dimensioning, mains follow currents can be almost completely ruled out. Significant advantages result in particular with regard to use in AC networks.
Wählt man typischerweise Elektroden aus Graphit, ergeben sich weitere Vorteile. Die Eigenschaft des Graphits bei Erhitzung zu sublimieren, erlaubt die Ausbildung sehr geringer Spaltabstände zwischen den Elektroden. Die daraus resultierenden sehr kurzen Lichtbögen in Verbindung mit einer relativ großen Oberfläche und der relativ hohen thermischen Masse von solchen Graphit-Stapel-Funkenstrecken gewährleisten ein robustes Verhalten im Fall der Impulsableitung.If one typically chooses electrodes made of graphite, there are further advantages. The property of graphite to sublimate when heated allows the formation of very small gaps between the electrodes. The resulting very short arcs in connection with a relatively large surface area and the relatively high thermal mass of such graphite stack spark gaps ensure robust behavior in the event of impulse dissipation.
Daher kann die Technologie der Mehrfach-Funkenstrecken dazu eingesetzt werden, sehr kompakte Aufbauten mit hoher energetischer Leistungsfähigkeit zu realisieren. Derartige kompakte Vorrichtungen können sowohl in hutschienenmontablen Überspannungsschutzgeräten eingesetzt werden, aber auch direkt auf Leiterplatten verbaut in beliebigen elektrischen Geräten verwendet werden. Die hohe Kompaktheit in Verbindung mit der Integration in elektrische Geräte, in denen erhöhte Umgebungstemperaturen herrschen, erfordern jedoch einen besonders temperaturfesten mechanischen Aufbau. Ein solcher Aufbau muss insbesondere sicherstellen, dass eine Stapelfunkenstrecke bei Temperaturschwankungen immer ausreichend gepresst wird. Ferner sollte die Stapelfunkenstrecke bei einer starken Erwärmung, wie sie im Ableitfall auftritt, nicht zerstört werden.Therefore, the technology of multiple spark gaps can be used to realize very compact structures with high energy efficiency. Compact devices of this type can be used in overvoltage protection devices that can be mounted on a top-hat rail, but can also be installed directly on printed circuit boards in any electrical devices. However, the high degree of compactness in connection with the integration into electrical devices, in which increased ambient temperatures prevail, requires a particularly temperature-resistant mechanical structure. Such a structure must in particular ensure that a stacked spark gap is always sufficiently compressed in the event of temperature fluctuations. Furthermore, the stack spark gap should not be destroyed in the event of strong heating, as occurs in the case of leakage.
Hierzu werden typischerweise metallische Gehäusekonstruktionen eingesetzt, die eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Diese benötigen jedoch aufgrund der erhöhten Isolationsabstände einen großen Bauraum und sind in der Regel mit relativ hohen Kosten verbunden.For this purpose, typically metallic housing constructions are used, which have a high temperature resistance. However, due to the increased insulation distances, these require a large installation space and are usually associated with relatively high costs.
Aus der Offenlegungsschrift
Ferner offenbart beispielsweise die gattungsbildende Patentschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Funkenstreckenanordnung mit einer weiterentwickelten Haltekonstruktion für eine Mehrfach-Funkenstrecke bereitzustellen.The invention is based on the object of providing a spark gap arrangement with a further developed holding structure for a multiple spark gap.
Diese Aufgabe wird durch eine Funkenstreckenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Funkenstreckenanordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-14.This object is achieved by a spark gap arrangement having the features of claim 1. Advantageous developments of the spark gap arrangement result from the dependent claims 2-14.
Die erfindungsgemäße Funkenstreckenanordnung weist eine Mehrfach-Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken auf, die sich in einer Stapelanordnung befinden. Die Mehrfach-Funkenstrecke basiert auf dem Prinzip der Lichtbogenvervielfältigung und wird auch als Stapelfunkenstrecke oder Multiarc-Funkenstrecke bezeichnet. Dabei wird eine Einzelfunkenstrecke jeweils durch zwei Elektroden gebildet, die durch wenigstens ein Isolierstoffelement voneinander getrennt und so auf Abstand gehalten sind. Eine Anzahl von n+1 Elektroden bildet so n Einzelfunkenstrecken. Vorzugsweise handelt es sich bei den Elektroden um Elektroden aus Graphit, d.h. um Graphitscheiben. Die Elektroden können dabei ring- oder scheibenförmig ausgebildet sein. Als Isolierstoffelemente können dünne Scheiben oder Folien aus einem bekannten Isolierstoff wie Vulkanfiber eingesetzt werden. Die Elektroden sind beispielsweise in einer Ausnehmung eines Rahmens gehalten, wobei die Isolierstoffelemente zwischen den Rahmen angeordnet und von diesen fixiert sind. Die Rahmen der Elektroden bestehen dann ebenfalls aus einem Isolierstoff wie z.B. Vulkanfiber. Die Isolierstoffelemente sind ringförmig ausgebildet, so dass sich zwischen zwei Elektroden die erforderliche Distanz für eine Einzelfunkenstrecke bildet, die durch eine Öffnung in einem Isolierstoffelement führt.The spark gap arrangement according to the invention has a multiple spark gap with a plurality of individual spark gaps connected in series, which are located in a stack arrangement. The multiple spark gap is based on the principle of arc multiplication and is also known as a stacked spark gap or multi-arc spark gap. In this case, a single spark gap is formed by two electrodes, which are separated from one another by at least one insulating material element and are thus kept at a distance. A number of n+1 electrodes thus forms n individual spark gaps. Preferably the electrodes are graphite electrodes, i.e. graphite discs. The electrodes can be ring-shaped or disc-shaped. Thin disks or foils made of a known insulating material such as vulcanized fiber can be used as insulating material elements. The electrodes are held, for example, in a recess in a frame, with the insulating material elements being arranged between the frames and fixed by them. The frames of the electrodes then also consist of an insulating material such as vulcanized fiber. The insulating material elements are ring-shaped, so that the required distance for a single spark gap is formed between two electrodes, which leads through an opening in an insulating material element.
Erfindungsgemäß ist die Stapelanordnung aus Einzelfunkenstrecken in Stapelrichtung federnd zwischen zwei gegenüberliegenden, metallischen Halteelementen eingespannt. Dabei sind die Halteelemente mit einer Rahmenstruktur verbunden, die als Widerlager für beide Halteelemente wirkt. Die Halteelemente sind ferner unmittelbar elektrisch voneinander isoliert, was vorzugsweise durch eine elektrisch isolierende Rahmenstruktur erfolgt. Die Rahmenstruktur selbst kann wiederum mit anderen Bauteilen einer Überspannungsvorrichtung verbunden sein. Dabei bedeutet „unmittelbar elektrisch voneinander isoliert“ im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass keine direkte elektrische Verbindung zwischen den beiden Halteelementen vorliegt. Die Rahmenstruktur kann jedoch über eine Zündeinrichtung und ihre elektrischen Bauteile eine mittelbare Verbindung zwischen den beiden Halteelementen herstellen.According to the invention, the stacked arrangement of individual spark gaps is clamped resiliently in the stacking direction between two opposite metallic holding elements. The holding elements are connected to a frame structure which acts as an abutment for both holding elements. Furthermore, the holding elements are directly electrically insulated from one another, which is preferably effected by an electrically insulating frame structure. The frame structure itself can in turn be connected to other components of an overvoltage device. In this context, “directly electrically insulated from one another” in the context of the present invention means that there is no direct electrical connection between the two holding elements. However, the frame structure can create an indirect connection between the two holding elements via an ignition device and its electrical components.
Gemäß der Erfindung drücken die Halteelemente die Stapelfunkenstrecke zusammen, wobei diese Pressung in Stapelrichtung auch bei Temperaturschwankungen gewährleistet ist. Die Einspannung zwischen den beiden Halteelementen ist hierzu federnd ausgeführt, damit sie Längenänderungen im Betrieb der Mehrfach-Funkenstrecke ausgleichen kann. Auch kann so bei der Fertigung der Funkenstreckenanordnung ein Toleranzausgleich erzielt werden.According to the invention, the holding elements compress the stack spark gap, this compression being ensured in the direction of the stack even in the event of temperature fluctuations. The clamping between the two holding elements is designed to be resilient for this purpose, so that it can compensate for changes in length during operation of the multiple spark gap. Tolerance compensation can also be achieved in the production of the spark gap arrangement.
Die Rahmenstruktur ist vorzugsweise einfach aufgebaut. Erfindungsgemäß ist die Rahmenstruktur durch zwei Rahmenteile gebildet, zwischen denen die Mehrfach-Funkenstrecke angeordnet ist, und jedes Halteelement ist mit beiden Rahmenteilen verbunden. Wenn sich die Halteelemente planparallel zu den Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke erstrecken und die Druckkräfte der Stapelanordnung aufnehmen, verlaufen die Rahmenteile in einem Winkel von etwa 90° zu den Halteelementen und nehmen als Widerlager resultierende Zugkräfte von den Halteelementen auf.The frame structure is preferably simple in construction. According to the invention, the frame structure is formed by two frame parts, between which the multiple spark gap is arranged, and each holding element is connected to both frame parts. If the holding elements extend plane-parallel to the electrodes of the multiple spark gap and absorb the compressive forces of the stack arrangement, the frame parts run at an angle of approximately 90° to the holding elements and, as abutments, absorb the resulting tensile forces from the holding elements.
Insbesondere sind diese Rahmenteile durch zwei Isolierplatten gebildet, die planparallel zueinander beabstandet sind und die Mehrfach-Funkenstrecke zwischen sich aufnehmen. Leiterplatten stellen eine besonders einfache Form der Rahmenteile dar, und die Kombination aus Stanzbiegeteilen und einer Leiterplattenstruktur ergibt einen besonders vorteilhaften und kostengünstigen Aufbau.In particular, these frame parts are formed by two insulating plates which are spaced apart plane-parallel and accommodate the multiple spark gap between them. Printed circuit boards represent a particularly simple form of frame parts, and the combination of stamped and bent parts and a printed circuit board structure results in a particularly advantageous and cost-effective structure.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Rahmenstruktur aus einem elektrisch isolierenden Faserverbundwerkstoff gebildet. Insbesondere handelt es sich um einen elektrisch isolierenden, schwer entflammbaren und flammenhemmenden Faserverbundwerkstoff. Es handelt sich somit um eine Isolierstruktur. Bei dem Faserverbundwerkstoff handelt es sich vorzugsweise um einen Werkstoff, der auch zur Herstellung von Leiterplattensubstraten eingesetzt wird, d.h. Leiterplattenmaterial. Insbesondere handelt es sich daher um einen Werkstoff der Klasse FR4. Beispielsweise kommt hier ein Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und einem Glasfasergewebe zur Anwendung. Doch auch andere Leiterplattenmaterialien wie Hartpapier, das aus Papier und einem Harz gebildet wird, können zur Anwendung kommen.In one embodiment of the invention, the frame structure is formed from an electrically insulating fiber composite material. In particular, it is an electrically insulating, flame retardant and flame retardant fiber composite material. It is therefore an insulating structure. The fiber composite material is preferably a material that is also used for the production of printed circuit board substrates, i.e. printed circuit board material. In particular, it is therefore a material of class FR4. For example, a composite material made of epoxy resin and a glass fiber fabric is used here. However, other circuit board materials such as laminated paper, which is formed from paper and a resin, can also be used.
Eine solche Rahmenstruktur kann aufgrund ihrer Materialeigenschaften in geringem Abstand zur Mehrfach-Funkenstrecke angeordnet sein. Daher kann so insgesamt eine Funkenstreckenanordnung bereitgestellt werden, die eine hohe Temperaturbeständigkeit bei geringem Bauraum aufweist. Da es sich bei Leiterplattenmaterial um einen preiswerten Werkstoff handelt, wirkt sich dies auch positiv auf die Herstellungskosten für die Funkenstreckenanordnung aus.Due to its material properties, such a frame structure can be arranged at a short distance from the multiple spark gap. Therefore, a spark gap arrangement can be provided overall that has a high temperature resistance in a small installation space. Since printed circuit board material is an inexpensive material, this also has a positive effect on the production costs for the spark gap arrangement.
Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Halteelemente ebenfalls bauraumsparend und möglichst einfach ausgebildet sind. Dabei erstrecken sie sich im Wesentlichen planparallel zu den Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke. Sie sind in ihrer Struktur derart ausgebildet, dass sie thermische und mechanische Bewegungen und Toleranzen in der Mehrfach-Funkenstrecke ausgleichen. In der einfachsten Form handelt es sich um elastisch nachgebende Metallbleche, zwischen denen die Mehrfach-Funkenstrecke eingespannt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass wenigstens ein Halteelement durch ein metallisches Stanzbiegeteil gebildet ist. Stanzbiegeteile sind nicht aufwendig in der Herstellung, können aber bei entsprechender Ausgestaltung und Verbindung mit der Rahmenstruktur die genannten Anforderungen bezüglich des Ausgleichs von thermischen und mechanischen Bewegungen und Toleranzen in der Mehrfach-Funkenstrecke erfüllen. Beispielsweise weist ein Stanzbiegeteil hierzu wenigstens eine Faltung, Biegung, Lasche und/oder Ausstülpung auf, durch welche eine Vorspannkraft V in Stapelrichtung auf die Mehrfach-Funkenstrecke wirkt. Vorzugsweise gilt dies für beide Halteelemente.This is particularly the case when the holding elements are also designed to save space and be as simple as possible. They extend essentially plane-parallel to the electrodes of the multiple spark gap. Their structure is designed in such a way that they compensate for thermal and mechanical movements and tolerances in the multiple spark gap. In the simplest form, these are elastically yielding metal sheets between which the multiple spark gap is clamped. In a preferred embodiment of the invention, however, it is provided that at least one holding element is formed by a metal stamped and bent part. Stamped and bent parts are not expensive to produce, but with an appropriate design and connection to the frame structure they can meet the requirements mentioned with regard to the compensation of thermal and mechanical movements and tolerances in the multiple spark gap. For example, a stamped and bent part has at least one fold, bend, tab and/or protuberance for this purpose, through which a prestressing force V acts on the multiple spark gap in the stacking direction. This preferably applies to both holding elements.
Die Verbindung zwischen den Halteelementen und der Rahmenstruktur kann auf verschiedene Arten ausgebildet sein. Dabei ist sie dauerfest oder löslich ausgeführt. Insbesondere ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens ein Halteelement durch eine temperatursensitive Verbindung mit der Rahmenstruktur verbunden ist, die sich bei Erreichen einer bestimmten Temperatur löst. So wird eine thermische Trennstelle gebildet, die sich löst, wenn die Mehrfach-Funkenstrecke und damit wenigstens ein Halteelement eine maximale Temperatur überschreiten. The connection between the holding elements and the frame structure can be formed in different ways. It is designed to be permanent or soluble. In particular, one embodiment of the invention provides that at least one retaining element is connected to the frame structure by a temperature-sensitive connection that releases when a specific temperature is reached. In this way, a thermal point of separation is formed, which becomes detached when the multiple spark gap and thus at least one holding element exceed a maximum temperature.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das Halteelement so mit der Rahmenstruktur verbunden ist, dass ein Lösen der thermosensitiven Verbindung eine Bewegung des gesamten Halteelementes in Richtung von der Mehrfach-Funkenstrecke weg freigibt. Dies kann aus Sicherheitsaspekten dazu genutzt werden, eine zu stark erwärmte Mehrfach-Funkenstrecke zu erkennen und/oder in einen sicheren Zustand zu überführen. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Funkenstreckenanordnung hierzu Detektionsmittel aufweisen, die dazu ausgebildet sind, eine Bewegung des gesamten Halteelementes in Richtung von der Mehrfach-Funkenstrecke weg zu detektieren. Das Halteelement bewegt sich von der Stapelanordnung weg, wodurch eine ausreichende Pressung der Stapelanordnung nicht mehr gegeben ist. Diese Information des Detektionsmittels kann auf unterschiedliche Arten genutzt werden. Beispielsweise können die Detektionsmittel über ein Kommunikationsmittel vermelden, dass sich die Mehrfach-Funkenstrecke in einem kritischen Zustand befindet.Provision is preferably made here for the holding element to be connected to the frame structure in such a way that releasing the thermosensitive connection releases a movement of the entire holding element in the direction away from the multiple spark gap. For safety reasons, this can be used to detect a multiple spark gap that has heated up too much and/or to switch it to a safe state. For example, the spark gap arrangement according to the invention can have detection means for this purpose, which are designed to detect a movement of the entire holding element in the direction away from the multiple spark gap. The holding element moves away from the stack arrangement, as a result of which there is no longer sufficient compression of the stack arrangement. This information from the detection means can be used in different ways. For example, the detection means can report via a communication means that the multiple spark gap is in a critical state.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass alternativ oder zusätzlich Maßnahmen zur weiteren Sicherung der Mehrfach-Funkenstrecke eingeleitet werden. Beispielsweise weist die Funkenstreckenanordnung eine Lichtbogenabschirmung (Arc Shield) auf und Mittel zur Einbringung dieser Lichtbogenabschirmung zwischen die Mehrfach-Funkenstrecke und ein Halteelement, dessen Bewegung durch die Detektionsmittel detektiert wurde. Im Sinne einer möglicherweise erforderlichen Lichtbogenlöschung und zur Erzielung einer guten Isolation kann die Lichtbogenabschirmung in den freigegebenen Bereich zwischen der Mehrfach-Funkenstrecke und dem Halteelement bewegt werden.In another embodiment, it is provided that measures to further secure the multiple spark gap are initiated as an alternative or in addition. For example, the spark gap arrangement has an arc shield and means for introducing this arc shield between the multiple spark gap and a holding element, the movement of which was detected by the detection means. The arc shield can be moved into the cleared area between the multiple spark gap and the support member for arc quenching that may be required and to achieve good insulation.
Um einen ausreichend großen Trennweg zu gewährleisten, können zusätzliche Mittel vorgesehen sein, um ein Halteelement nach dem Lösen seiner thermosensitiven Verbindung von der Mehrfach-Funkenstrecke weg zu bewegen. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Abtrennmittel, die dazu ausgebildet sind, in diesem Fall ein Abtrennen des Halteelementes von der Rahmenstruktur zu unterstützen. Beispielsweise sind solche Abtrennmittel zur Aufbringung einer Kraft F auf wenigstens ein Halteelement ausgebildet, wobei diese Kraft F in eine Richtung wirkt, die einer Vorspannkraft V durch das Halteelement in Richtung auf die Mehrfach-Funkenstrecke entgegengesetzt ist. Das Halteelement übt somit aufgrund seiner Einspannung eine Vorspannkraft bzw. Druckkraft auf eine Seite der Stapelanordnung der Mehrfach-Funkenstrecke aus. Die Kraft F ist dieser Richtung entgegengesetzt. Löst sich die Einspannung des Halteelementes, wird es daher durch die Kraft F von der Mehrfach-Funkenstrecke weggedrückt.In order to ensure a sufficiently large separation path, additional means can be provided in order to move a holding element away from the multiple spark gap after its thermosensitive connection has been released. This is preferably a separating means which is designed to support a separating of the holding element from the frame structure in this case. For example, such separating means are designed to apply a force F to at least one holding element, this force F acting in a direction opposite to a biasing force V through the holding element in the direction of the multiple spark gap. Due to its clamping, the holding element thus exerts a prestressing force or compressive force on one side of the stacked arrangement of the multiple spark gap. The force F opposes this direction. If the clamping of the holding element is released, it is therefore pushed away from the multiple spark gap by the force F.
Die Kraft F für eine solche Abtrennung des Halteelementes kann insbesondere durch einen Federmechanismus erzeugt werden und ist dann eine Federkraft. Ferner kann eine solche Kraft F an verschiedenen Stellen auf das Halteelement wirken. Vorzugsweise wirkt eine Kraft F an jeder Verbindungsstelle zwischen dem Halteelement und der Rahmenstruktur, um möglichst alle Verbindungsstellen zu lösen.The force F for such a separation of the holding element can be generated in particular by a spring mechanism and is then a spring force. Furthermore, such a force F can act on the holding element at different points. A force F preferably acts at each connection point between the holding element and the frame structure in order to loosen as many connection points as possible.
Die Halteelemente können dabei auf verschiedene Arten an der Rahmenstruktur gehalten sein. In einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Halteelement in einer kraftaufnehmenden Ausnehmung in der Rahmenstruktur gehalten. Dies erfolgt insbesondere durch eine Löt- oder Einpressverbindung. Bei Verwendung einer thermosensitiven Verbindung wie einer Lötverbindung weist insbesondere wenigstens eine Ausnehmung eine Längsausdehnung in Stapelrichtung der Mehrfach-Funkenstrecke auf, die größer ist als die Ausdehnung des darin gehaltenen Haltelementes in Stapelrichtung. Vorzugsweise ist diese Längsausdehnung um ein Vielfaches größer als die Ausdehnung des darin gehaltenen Haltelementes in Stapelrichtung. Die Ausnehmung ist dann in dieser Richtung wenigstens doppelt so breit wie das Halteelement. Das Halteelement kann sich daher bei der Fertigung der Funkenstreckenanordnung zunächst wie in einem Langloch in Stapelrichtung bewegen.The holding elements can be held on the frame structure in different ways. In one embodiment of the invention, at least one holding element is held in a force-receiving recess in the frame structure. This is done in particular by a soldered or press-fit connection. When using a thermosensitive connection such as a soldered connection, in particular at least one recess has a longitudinal extent in the stacking direction of the multiple spark gap that is greater than the extent of the holding element held therein in the stacking direction. This longitudinal extent is preferably many times greater than the extent of the holding element held therein in the stacking direction. The recess is then at least twice as wide as the holding element in this direction. During the manufacture of the spark gap arrangement, the holding element can therefore initially move in the stacking direction, as in a slot.
Die Verlötung erfolgt dann unter Vorspannung in Richtung der Mehrfach-Funkenstrecke, so dass nach dem Verfestigen der Lötstelle die gewünschte dauerhafte Vorspannung für den Toleranzausgleich erzielt wird. Das Halteelement ist dann durch eine thermosensitive Verbindung unter Vorspannung in Richtung der Mehrfach-Funkenstrecke in der Ausnehmung gehalten, wobei diese thermosensitive Verbindung optional so ausgebildet ist, dass sie sich bei Erreichen einer bestimmten Temperatur löst. Eine Lötverbindung hat somit den Vorteil, dass sie gleichzeitig auch als lösbare thermosensitive Verbindung einsetzbar ist.The soldering is then carried out under prestress in the direction of the multiple spark gap, so that after the soldering point has solidified, the desired permanent prestress for tolerance compensation is achieved. The retaining element is then held in the recess by a thermosensitive connection under pretension in the direction of the multiple spark gap, this thermosensitive connection optionally being designed in such a way that it releases when a specific temperature is reached. A soldered connection thus has the advantage that it can also be used as a detachable thermosensitive connection at the same time.
Besonders vorteilhaft sind auf der Rahmenstruktur Mittel zur Ansteuerung und Triggerung der Mehrfach-Funkenstrecke und/oder Mittel zur Überwachung des Überspannungsschutzes durch die Mehrfach-Funkenstrecke und/oder Kommunikationsmittel zur Signalisierung und/oder Fernübertragung von Statusdaten der Mehrfach-Funkenstrecke angeordnet. Zu den Statusdaten zählt insbesondere der Zustand von Abtrennmitteln. Weiterhin können auf den Leiterplatten Mittel zur elektrischen Abkopplung, Trennung, Abtrennung des Überspannungsschutzes vom elektrischen Netz angeordnet sein.Means for controlling and triggering the multiple spark gap and/or means for monitoring the overvoltage protection through the multiple spark gap and/or communication means for signaling and/or remote transmission of status data of the multiple spark gap are particularly advantageously arranged on the frame structure. The status data includes, in particular, the condition of the means of separation. Furthermore, means for electrical decoupling, isolation, disconnection of the overvoltage protection from the electrical network can be arranged on the printed circuit boards.
Werden als Rahmenstruktur Leiterplatten verwendet, können diese zusätzlichen Komponenten auf vorteilhafte Weise auf den Leiterplatten angebracht, mit der Mehrfach-Funkenstrecke verbunden und auch untereinander verbunden werden. Bei Mitteln zur Ansteuerung und Triggerung der Mehrfach-Funkenstrecke werden die erforderlichen elektrischen Potentiale beispielsweise an den Verbindungsstellen der Halteelemente mit den Leiterplatten übergeben. Typischerweise erfolgt dies an den Lötstellen. Auch können die Elektroden der Mehrfach-Funkenstrecke über einen jeweiligen Kontakt direkt mit elektrischen Strukturen verbunden sind, die auf der Rahmenstruktur ausgebildet sind.If printed circuit boards are used as the frame structure, these additional components can advantageously be attached to the printed circuit boards, connected to the multiple spark gap and also connected to one another. In the case of means for controlling and triggering the multiple spark gap, the required electrical potentials are transferred, for example, to the connection points of the holding elements with the printed circuit boards. Typically this is done at the soldering points. The electrodes of the multiple spark gap can also be connected directly to electrical structures formed on the frame structure via a respective contact.
Insgesamt kann so zwischen Leiterplattenmaterial ein kompakter Funkenstreckenaufbau zur Kontaktierung, Stabilisierung und elektrischen Anbindung von Überlastvorrichtungen bereitgestellt werden, der einfach zu fertigen ist. Dies gilt insbesondere für Mehrfach-Funkenstrecken mit Graphitelektroden.Overall, a compact spark gap structure for contacting, stabilization and electrical connection of overload devices can be provided between circuit board material, which is easy to manufacture. This applies in particular to multiple spark gaps with graphite electrodes.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.Further advantages, special features and expedient developments of the invention result from the subclaims and the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the illustrations.
Es zeigen
-
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Funkenstreckenanordnung; -
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Funkenstreckenanordnung; -
3 eine Aufsicht auf eine Funkenstreckenanordnung gemäß2 ; -
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Funkenstreckenanordnung mit Abtrennmitteln; und -
5 eine Funkenstreckenanordnung gemäß5 mit ausgelösten Abtrennmitteln.
-
1 a schematic representation of a first embodiment of a spark gap arrangement according to the invention; -
2 a schematic representation of a second embodiment of a spark gap arrangement according to the invention; -
3 a top view of a spark gap arrangement according to FIG2 ; -
4 a schematic representation of a third embodiment of a spark gap arrangement according to the invention with separation means; and -
5 a spark gap arrangement according to FIG5 with triggered release agents.
Insgesamt ist die Mehrfach-Funkenstrecke 20 als Überspannungsableiter in ein elektrisches System integriert (nicht dargestellt). Bei
Die Mehrfach-Funkenstrecke 20 ist in Stapelrichtung zwischen zwei metallischen Halteelementen 30 und 31 eingespannt. Diese Halteelemente 30, 31 sind vorzugsweise als Stanzbiegeteile ausgebildet und mit einer Struktur versehen, die thermische und mechanische Bewegungen und Toleranzen der Mehrfach-Funkenstrecke 20 ausgleicht. Hierzu weisen die Halteelemente jeweils eine Ausstülpung bzw. Einstülpung 32, 33 in Richtung der Mehrfach-Funkenstrecke 20 auf. Ferner sind die beiden Halteelemente 30, 31 unmittelbar elektrisch voneinander isoliert, d.h. es besteht keine direkte elektrische Verbindung zwischen den beiden Halteelementen 30, 31.The
Die beiden Halteelemente 30, 31 sind hierzu mit zwei Rahmenteilen in Form von Isolierplatten 40, 41 verbunden. Die Isolierplatten 40, 41 bestehen aus einem elektrisch isolierenden Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus einem elektrisch isolierenden, schwer entflammbaren und flammenhemmenden Faserverbundwerkstoff. Sie werden im Folgenden Leiterplatten genannt, da es sich vorzugsweise um einen Werkstoff handelt, der auch zur Fertigung von Leiterplatten verwendet wird. Vorzugsweise handelt es sich um einen Werkstoff der Klasse FR4.For this purpose, the two holding
Die Leiterplatten 40, 41 verlaufen im Wesentlichen planparallel zueinander, und die Mehrfach-Funkenstrecke 20 ist zwischen den Leiterplatten 40, 41 angeordnet. Der Aufbau ist so ausgeführt, dass die beiden Leiterplatten 40, 41 als Widerlager für die beiden Halteelemente 30, 31 wirken. Hierbei sind die Halteelemente 30, 31 im Wesentlichen planparallel zu den Elektroden 21, 22 der Mehrfach-Funkenstrecke 20 angeordnet und die Leiterplatten 40, 41 verlaufen in einem Winkel von etwa 90° zu den Halteelementen 30, 31. Die beiden Halteelemente 30, 31 nehmen durch ihre Einspannung Druckkräfte aus der Mehrfach-Funkenstrecke 20 auf, und die Leiterplatten 40, 41 nehmen als Widerlager die resultierenden Zugkräfte auf. So wirkt von beiden Enden eine Vorspannkraft V auf die Stapelanordnung der Mehrfach-Funkenstrecke 20.The printed
Gegenüberliegende Enden der Halteelemente 30, 31 sind in kraftaufnehmenden Ausnehmungen 42, 43, 44 und 45 in den Leiterplatten 40, 41 gehalten. Diese Ausnehmungen können wie in der Ausführungsform der
Auf der Leiterplatte 40 ist ferner eine Steuer- und/oder Triggereinheit 50 zur Ansteuerung der Mehrfach-Funkenstrecke 20 gestrichelt dargestellt. Diese kann auf geeignete Art ausgeführt sein, wie es bereits bei Steuer- und/oder Triggereinheiten auf Leiterplatten bekannt ist. Ferner sind die Elektroden 21, 22 jeweils über einen Kontakt 60 direkt mit elektrischen Strukturen auf der Leiterplatte 41 verbunden (nicht dargestellt). Für die Ansteuerung der Mehrfach-Funkenstrecke 20 erforderliche Potentiale werden beispielsweise an den Halteelementen 30, 31 übergeben. Dies erfolgt vorzugsweise über eine Lötstelle zwischen Halteelement und Leiterplatte.A control and/or
Die beiden Halteelemente 30, 31 in den kraftaufnehmenden Ausnehmungen 42, 43, 44, 45 sind auch der Aufsicht der
Diese Lötverbindungen stellen thermosensitive Verbindungen dar, die sich bei einer bestimmten maximalen Temperatur lösen. Diese Art der Verlötung der metallischen Halteelemente 30, 31 in den Ausnehmungen 42, 43, 44, 45 kann daher dazu genutzt werden, jeweils eine thermische Trennstelle zu bilden. Diese thermische Trennstelle löst aus, wenn der Elektrodenstapel und damit die Halteelemente 30, 31 eine maximale Temperatur überschreiten. Zumindest ein Halteelement 30, 31 kann sich so von der Mehrfach-Funkenstrecke 20 abtrennen, wodurch die Vorspannungskräfte V nicht länger wirken.These soldered connections are thermosensitive connections that detach at a certain maximum temperature. This type of soldering of the
Um den Trennweg in einem solchen Fall möglichst lang zu gestalten, können unterstützende Abtrennmittel vorgesehen werden.
Lösen sich die Lötverbindungen in den Ausnehmungen 43 und 45 aufgrund einer unzulässigen Erwärmung, wird das Halteelement 31 durch die Kraft F von der Mehrfach-Funkenstrecke 20 weggedrückt. Dieser Zustand ist in der
Dabei ist dieser Aufbau erneut nur beispielhaft zu verstehen, um die Wirkungsweise der Abtrennung zu erläutern. Die Abtrennmittel 70, 71, das Bewegungsübertragungselement 80, die Signaleinheit 81 und das Kommunikationsmittel 82 können auf jegliche geeignete Art ausgebildet sein. Das Gleiche gilt für eine Lichtbogenabschirmung 90, die nach der Abtrennung optional zwischen das Halteelement 31 und die Mehrfach-Funkenstrecke 20 bewegt wird.This structure is again only to be understood as an example in order to explain the mode of operation of the separation. The separating means 70, 71, the
BezugszeichenlisteReference List
- 10, 10', 10''10, 10', 10''
- Funkenstreckenanordnungspark gap arrangement
- 2020
- Mehrfach-Funkenstrecke, MAFSMultiple spark gap, MAFS
- 21, 2221, 22
- Elektrodeelectrode
- 2323
- Isolierstoffelementinsulating element
- 2424
- Spalt, Brennraumgap, combustion chamber
- 30, 3130, 31
- Halteelement, StanzbiegeteilRetaining element, stamped and bent part
- 32, 3332, 33
- Ausstülpungprotuberance
- 40, 4140, 41
- Rahmenteil, Isolierplatte, LeiterplatteFrame part, insulating plate, circuit board
- 42, 43, 44, 4542, 43, 44, 45
- Ausnehmungrecess
- 5050
- Steuer- und/oder TriggereinheitControl and/or trigger unit
- 6060
- KontaktContact
- 70, 7170, 71
- Abtrennmittelrelease agent
- 8080
- Bewegungsübertragungselementmotion transmission element
- 8181
- Signaleinheitsignal unit
- 8282
- Kommunikationsmittelmeans of communication
- 9090
- Lichtbogenabschirmung, Arc ShieldArc Shield, Arc Shield
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- 2019-12-10 CN CN201911258820.XA patent/CN111293587B/en active Active
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