DE102022110329A1

DE102022110329A1 - Funkenstreckenanordnung

Info

Publication number: DE102022110329A1
Application number: DE102022110329.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Meyer; Viktor Okel
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2022-04-28
Filing date: 2022-04-28
Publication date: 2023-11-02
Also published as: US20230352914A1; EP4270689A1; CN116979374A

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist eine Funkenstreckenanordnung (1) mit mindestens drei Elektroden (2) und mit mindestens zwei Halterahmen (3), die flächig übereinander angeordnet sind, wobei die Halterahmen (3) jeweils einen Rand (4) aufweisen, der eine Ausnehmung (5) zur Aufnahme mindestens einer Elektrode (2) umgibt.Bei der erfindungsgemäßen Funkenstreckenanordnung (1) ist eine Kontaktierung mindestens einer Elektrode (2) mit einem Steuerungselement (7) auch bei Verwendung von besonders schmalen Elektroden (3) dadurch ermöglicht, dass im Rand (4) mindestens eines Halterahmens (3) mindestens eine Aufnahmeöffnung (6) ausgebildet ist, in der ein Steuerungselement (7) angeordnet ist, und dass die einzelnen Halterahmen (3) derart um ihre senkrecht zur Ebene des Halterahmens (3) angeordnete Mittelachse M verdreht zueinander angeordnet sind, dass die Aufnahmeöffnung (6) eines ersten Halterahmens (3) sich oberhalb einer Elektrode (2) befindet, die in einem darunter angeordneten zweiten Halterahmen (3) aufgenommen ist, sodass das in der Aufnahmeöffnung (6) des ersten Halterahmens (3) angeordnete Steuerungselement (7) die in dem darunter angeordneten zweiten Halterahmen (3) aufgenommene Elektrode (2) kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Funkenstreckenanordnung mit mindestens drei Elektroden und mit mindestens zwei Halterahmen, die flächig übereinander angeordnet sind, wobei die Halterahmen jeweils einen Rand aufweisen, der eine Ausnehmung zur Aufnahme mindestens einer Elektrode umgibt. Daneben betrifft die Erfindung auch noch einen Halterahmen für eine solche Funkenstreckenanordnung.
Überspannungsschutzgeräte sind in einer Vielzahl aus dem Stand der Technik bekannt und dienen zum Schutz von elektrischen Geräten oder Leitungen vor Überspannungen, die beispielsweise durch Blitzeinschläge oder Defekte in technischen Anlagen verursacht werden können. Dabei werden Funkenstreckenanordnung mit mehreren Elektroden seit Jahrzehnten im Bereich des Überspannungsschutzes von elektrischen Geräten und Anlagen eingesetzt. Zur Ableitung von hohen Überspannungen bei gleichzeitiger Gewährleistung eines hohen Netzfolgestrom-Löschvermögens werden häufig Mehrfachfunkenstrecken eingesetzt, die aufgrund ihres Aufbaus häufig auch als Stapelfunkenstrecken bezeichnet werden. Derartige Stapelfunkenstrecken bestehen aus mehreren Elektroden und mehreren Isolierungen, die zwischen den einzelnen Elektroden angeordnet sind, sodass sich jeweils zwischen zwei Elektroden eine Isolierung befindet, die in der Mitte eine Öffnung aufweist, sodass zwei Elektroden eine Funkenstrecke bilden. Die Elektroden sind dabei in der Regel als kreisförmige oder rechteckförmige Graphitscheiben ausgebildet, zwischen denen dann entsprechend ringförmige oder rahmenartige Isolierungen angeordnet sind. Die Isolierungen sind dabei häufig als dünne Isolationsfolien aus Kunststoff, beispielsweise PTFE ausgebildet und weisen eine Dicke von in der Regel weniger als 1 mm auf.
Aus der Praxis sind unterschiedliche Varianten bekannt, wie die einzelnen Elektroden und die einzelnen Isolierungen zu einer Stapelfunkenstrecke verbunden werden können. Häufig werden dazu großflächige Kontaktplatten verwendet, die die Stirnseiten der Stapelfunkenstrecke bilden und über mehrere Führungsstangen in axialer Richtung durch Verschrauben miteinander verspannt sind, sodass die einzelnen Elektroden und die einzelnen Isolierungen in ihrer stapelförmigen Anordnung zwischen den Kontaktplatten geklemmt sind. Wenn die zwischen den Kontaktplatten angeordneten Führungsstangen außen an den einzelnen Elektroden vorbeigeführt sind, führt dies dazu, dass der benötigte Bauraum relativ groß ist.
Aus der DE 20 2013 102 647 U1 ist eine Stapelfunkenstrecke bekannt, bei der der Bauraum bzw. Raumbedarf dadurch reduziert ist, dass die einzelnen Elektroden mittig gelocht sind und die an den Stirnseiten der gestapelten Elektroden angeordneten Kontaktplatten durch eine Führungsstange miteinander verbunden sind, die die Lochung der einzelnen Elektroden und die Lochung der ringförmigen Isolierungen durchgreift. Durch die Verwendung nur einer Führungsstange und deren innenliegende Anordnung kann eine Stapelfunkenstrecke realisiert werden, deren Raumbedarf nicht wesentlich größer als der Raumbedarf der gestapelten Elektroden ist.
Die DE 10 2016 114 787 A1 offenbart eine Trägereinheit für in Reihe schalt- und stapelbare Funkenstrecken, die aus einem Isolierkörper besteht, der eine Ausnehmung für die Elektrode aufweist. Gemäß einer Ausführungsvariante ist der Isolierkörper so ausgebildet, dass er eine einzelne Elektrode aufnimmt, wobei dann mehrere Isolierkörper übereinander gestapelt werden. In dem Isolierkörper ist zusätzlich eine radiale Öffnung ausgebildet, die mit der Aufnahme für die Elektrode verbunden ist, sodass die Elektrode durch die Öffnung an ihrer radialen Außenfläche kontaktiert werden kann.
Auch die DE 10 2011 102 864 A1 offenbart eine Stapelfunkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten Einzelfunkenstrecken, wobei die einzelnen Elektroden jeweils in einem Isolierkörper angeordnet sind. Die Isolierkörper weisen jeweils eine Ausnehmung zur Aufnahme einer scheibenförmigen Elektrode und eine Aufnahme für ein Steuerungselement auf, wobei die Aufnahme für das Steuerungselement mit der Ausnehmung für die Elektrode verbundene ist. Ein Steuerungselement ist dabei über eine Kontaktfeder mit dem Rand der Elektrode verbunden, sodass über die Steuerungselemente eine Triggerung der einzelnen Elektroden der Stapelfunkenstrecke erreicht werden kann.
Die DE 10 2018 118 898 B3 offenbart eine Halteanordnung für mehrere Elektroden, die aus mindestens zwei Halterahmen besteht, die flächig übereinander stapelbar sind. In den einzelnen Halterahmen sind jeweils drei Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils einer Elektrode pro Ausnehmung nebeneinander ausgebildet, sodass durch das Aufeinanderstapeln von mehreren derartigen Halterahmen drei nebeneinander angeordnete Stapelfunkenstrecken realisiert werden können. In den einzelnen Halterahmen sind neben den Ausnehmungen für die Elektroden jeweils auch eine entsprechende Anzahl von mit den Ausnehmungen verbundenen Öffnungen ausgebildet, durch die die Außenflächen der einzelnen Elektroden kontaktiert werden können. Die Öffnungen sind dabei an einer Längsseite der Halterahmen ausgebildet, sodass die Kontaktierung der einzelnen Elektroden von dieser Seite erfolgen kann.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausgestaltungen von Stapelfunkenstrecken bekannt, bei denen die einzelnen Elektroden jeweils in einem rahmenförmigen Isolierkörper angeordnet sind. Zur Beeinflussung des Zündverhaltens der Stapelfunkenstrecke erfolgt eine Kontaktierung der einzelnen scheibenförmigen Elektroden an deren Schmalseite, also an deren in Längserstreckung der Stapelfunkenstrecke angeordneten Außenfläche. Hierzu ist es bereits bekannt, in dem Isolierkörper bzw. den Halterahmen eine Ausnehmung zur Aufnahme eines Steuerungselements auszubilden, das über ein fehlendes Kontaktelement mit der Schmalseite der jeweiligen Elektrode verbunden ist.
Mit zunehmendem Integrationsgrad werden bei Funkenstreckenanordnung, insbesondere bei Stapelfunkenstrecken immer dünnere Elektroden eingesetzt. Dies führt dazu, dass eine Kontaktierung der scheibenförmigen Elektroden mit den Steuerungselementen an der Schmalseite zunehmend schwieriger wird, zumal auch die erforderlichen Isolationsabstände zwischen den Steuerungselementen berücksichtigt werden müssen. Eine direkte Kontaktierung der Schmalseite der Elektroden mit unbedrahteten Steuerungselementen ist dabei in der Regel nicht mehr möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Funkenstreckenanordnung bereitzustellen, die eine Kontaktierung der einzelnen Elektroden auch bei Verwendung von besonders schmalen Elektroden ermöglicht. Außerdem soll ein Halterahmen zur Verfügung gestellt werden, der bei einer derartigen Funkenstreckenanordnung eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe ist bei der eingangs beschriebenen Funkenstreckenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass im Rand mindestens eines Halterahmens mindestens eine Aufnahmeöffnung ausgebildet ist, in der ein Steuerungselement angeordnet ist. Außerdem sind die einzelnen Halterahmen derart um ihre senkrecht zur Ebene des Halterahmens angeordnete Mittelachse M verdreht zueinander angeordnet, dass die Aufnahmeöffnung eines ersten Halterahmens sich oberhalb einer Elektrode befindet, die in einem darunter angeordneten zweiten Halterahmen aufgenommen ist.
Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, dass ein in der Aufnahmeöffnung des ersten Halterahmens angeordnetes Steuerungselement die in dem darunter angeordneten zweiten Halterahmen aufgenommene Elektrode kontaktiert, wobei die Kontaktierung der Elektrode nicht auf der schmalen Seitenfläche, also der Schmalseite, sondern auf der Stirnseite, der Vorder- oder Rückseite erfolgt, die eine wesentlich größere Fläche als die schmale Seitenfläche aufweist.
Auch wenn die erfindungsgemäße Funkenstreckenanordnung grundsätzlich auch nur drei Elektroden und zwei Halterahmen aufweisen kann, so besteht die Funkenstreckenanordnung vorzugsweise aus mehreren Elektroden und dementsprechend auch aus mehreren Halterahmen, sodass es sich bei der Funkenstreckenanordnung um eine Mehrfachfunkenstrecke bzw. Stapelfunkenstrecke handelt. Die einzelnen Halterahmen - und mit ihnen auch die darin aufgenommenen Elektroden - sind dann als ein um den Mittelpunkt verdreht montierter Stapel angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Aufnahmeöffnung in den Halterahmen in der Nähe einer Ecke des Halterahmens angeordnet. Die Anordnung der Aufnahmeöffnung in der Nähe einer Ecke des Halterahmens ermöglicht es, dass der Winkel, um den die einzelnen übereinander angeordneten Halterahmen verdreht zueinander angeordnet sein müssen, relativ gering sein kann. Die einzelnen Halterahmen sind dabei jeweils so weit verdreht zueinander angeordnet, dass durch ein in einer Aufnahmeöffnung angeordnetes Steuerungselement die darunter angeordnete Elektrode im Bereich einer Ecke kontaktiert werden kann. Je nach Form der Halterahmen, die in der Regel eine näherungsweise rechteckige Grundform aufweisen, können dabei Verdrehwinkel von weniger als 15°, insbesondere weniger als 10°, beispielsweise 7,5° ausreichend sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die einzelnen Halterahmen jeweils einen nach innen, zur Mittelachse M gerichteten kragenförmigen Auflageabschnitt auf, an denen jeweils mindestens eine Elektrode zur Anlage kommt. Die Elektroden werden somit nicht, jedenfalls nicht nur von dem die Ausnehmung umgebenden Rand der Halterahmen in ihrer Position gehalten, auch wenn die Ausnehmungen an die Außenabmessungen der Elektroden angepasst sind, sondern auch dadurch, dass die Elektroden jeweils mit ihrem Rand auf dem kragenförmigen Auflageabschnitt der Halterahmen aufliegen. Der Auflageabschnitt ist dabei gegenüber dem Rand des Halterahmens in Richtung der Mittelachse M zurückversetzt. Dabei kann an beiden Seiten des kragenförmigen Auflageabschnitts eine Elektrode zur Anlage kommen.
Der kragenförmige Auflageabschnitt übernimmt dabei zugleich auch die Funktion der bei Stapelfunkenstrecken ansonsten häufig eingesetzten Isolationsfolien zwischen den einzelnen Elektroden. Durch die Anlage der einzelnen Elektroden an dem Auflageabschnitt der jeweiligen Halterahmen weisen zwei von einem Halterahmen zumindest teilweise aufgenommene Elektroden somit einen, durch die Dicke des Auflageabschnitts vorgegebenen definierten Abstand zueinander auf. Dabei kann insgesamt eine Funkenstreckenanordnung realisiert werden, die sehr geringe Abmessungen aufweist, insbesondere in Längserstreckung der Funkenstreckenanordnung bzw. der Stapelfunkenstrecke.
Weist eine Funkenstreckenanordnung zwei Halterahmen auf, so können von den beiden Halterahmen insgesamt drei Elektroden aufgenommen werden, wobei die mittlere Elektrode zwischen beiden Halterahmen angeordnet ist und somit von beiden Halterahmen zusammen aufgenommen wird. Die beiden äu-ßeren Elektroden liegen dagegen nur mit einer Stirnseite, der Vorderseite bzw. der Rückseite, auf einem Auflageabschnitt eines Halterahmens auf, während die jeweils andere Stirnseite von einer Kontaktplatte elektrisch kontaktiert und im Halterahmen gehalten wird. Eine Funkenstreckenanordnung mit n Halterahmen kann somit n + 1 Elektroden aufnehmen. Da die beiden äußeren Elektroden jeweils über eine Kontaktplatte kontaktiert werden, kann, können bei einer solchen Funkenstreckenanordnung n - 1 Steuerungselemente vorgesehen sein, die entsprechend n - 1 Elektroden kontaktieren.
Zuvor ist ausgeführt worden, dass die Halterahmen näherungsweise eine rechteckige Form aufweisen können. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die Halterahmen eine Außenkontur und eine Innenkontur aufweisen, die jeweils von der eines Rechtecks abweicht. Die von einem Rechteck abweichende Außenkontur des Halterahmens kann dabei insbesondere dafür genutzt werden, Platz für die Anordnung der Aufnahmeöffnung für das Steuerungselement im Rand des Halterahmens zur Verfügung zu stellen. Hierzu kann beispielsweise der Rand des Halterahmens einen nach außen vorstehenden Abschnitt aufweisen, wobei dann im Bereich des Abschnitts die Aufnahmeöffnung für das Steuerungselement ausgebildet ist.
Weist der Halterahmen einen nach innen gerichteten kragenförmigen Auflageabschnitt auf, so wird die Innenkontur des Halterahmens durch den Innenrand des Auflageabschnitts bestimmt. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der kragenförmige Auflageabschnitt dabei einen achteckigen Innenrand aufweisen, wobei einzelnen Innenwinkel unterschiedliche Werte aufweisen können. Sind bei der erfindungsgemäßen Funkenstreckenanordnung zwei Halterahmen um einen Winkel α verdreht zueinander angeordnet, so ist vorzugsweise vorgesehen, dass vier Innenwinkel δ₁ einen Wert von 90° + α und vier Innenwinkel δ₂ einen Wert von 180° - α aufweisen. Die unterschiedlichen Innenwinkel δ₁ und δ₂ sind dabei in Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet bzw. ausgebildet.
Bei dieser bevorzugten Ausgestaltung der Funkenstreckenanordnung bzw. der Halterahmen ist die konkrete Form des Halterahmens, insbesondere dessen Innenkontur somit abhängig davon ausgeführt, um welchen Winkel einzelnen Halterahmen zueinander verdreht angeordnet sind bzw. der Verdrehwinkel zwischen den einzelnen Halterahmen hängt von der konkreten Form der Halterahmen ab.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Funkenstreckenanordnung sind die einzelnen Halterahmen derart ausgebildet, dass sie in ihrer zueinander verdrehten Anordnung arretiert sind. Hierdurch wird auch die Positionierung der einzelnen Halterahmen zueinander vereinfacht und sichergestellt, dass sich bei der Montage der Funkenstreckenanordnung die Position der einzelnen Halterahmen zueinander, insbesondere der Winkel, um den benachbarte Halterahmen zueinander verdreht sind, nicht unbeabsichtigt wieder verändert. Bezüglich der Ausgestaltung der Arretierung zwischen den einzelnen Halterahmen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Beispielsweise können die Halterahmen jeweils an mindestens einer Seite mindestens ein Arretierelement aufweisen, wobei zwei Arretierelemente zweier Halterahmen zusammenwirken, wenn die beiden Halterahmen in der vorgesehenen, zueinander verdrehten Anordnung, übereinander gestapelt sind.
Alternativ oder zusätzlich können die Halterahmen jeweils auf der Vorderseite mindestens ein Rastelement und auf der Rückseite ein Gegenrastelement aufweisen, wobei das Rastelement eines Halterahmens in ein Gegenrastelement eines zweiten Halterahmens eingreift, wenn die beiden Halterahmen um den vorgesehenen Winkel α zueinander verdreht übereinander gestapelt sind. Als Rastelemente können beispielsweise stiftförmige Zapfen und als Gegenrastelemente dazu korrespondierende Zapfenlöcher vorgesehen sein.
Die einzelnen Elektroden der Funkenstreckenanordnung sind vorzugsweise als rechteckige, insbesondere quadratische dünne Scheiben aus Graphit oder einem Wolfram-Kupferverbundwerkstoff ausgebildet. Die Dicke der Elektrodenscheiben kann dabei weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 3 mm betragen.
Die eingangs genannte Aufgabe ist bei einem Halterahmen für eine entsprechende Funkenstreckenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Der Halterahmen weist einen Rand auf, der eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Elektrode umgibt, wobei die Ausnehmung an die Außenabmessung der Elektrode angepasst ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass im Rand des Halterahmens mindestens eine Aufnahmeöffnung zur Aufnahme eines Steuerungselements ausgebildet ist.
Bezüglich der vorteilhaften Ausgestaltungen des Halterahmens kann auf die vorstehenden, entsprechenden Ausführungen zur Funkenstreckenanordnung verwiesen werden. So weist der Halterahmen vorzugsweise einen nach innen, zur Mittelachse M des Halterahmens gerichteten kragenförmigen Auflageabschnitt für mindestens eine Elektrode auf, wobei der Auflageabschnitt vorzugsweise gegenüber dem Rand des Halterahmens in Richtung der Mittelachse M zurückversetzt ist. Außerdem sind bei dem Halterahmen vorzugsweise die Außenkontur und die Innenkontur so gestaltet, dass sie von der eines Rechtecks abweichen, wobei insbesondere der kragenförmige Auflageabschnitt einen achteckigen Innenrand aufweist. Der Innenrand entspricht dabei vorzugsweise nicht einem regelmäßigen Achteck, mit acht gleich großen Innenwinkel δ. Vielmehr weist der Innenrand vorzugsweise vier Innenwinkel δ₁ und vier Innenwinkel δ₂ auf, die abwechselnd zueinander angeordnet sind. Der Innenwinkel δ₁ beträgt dabei 90° + α und der Innenwinkel δ₂ beträgt 180° - α.
Der Halterahmen kann aus einem Kunststoff oder einem Keramikmaterial bestehen und eine relativ geringe Dicke von vorzugsweise weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 5 mm aufweisen. Grundsätzlich sind jedoch auch andere isolierende Materialien für den Halterahmen und andere Abmessungen, insbesondere andere Dicken möglich.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Funkenstreckenanordnung sowie den Halterahmen weiterzubilden und auszugestalten. Dazu wird verwiesen sowohl auf die nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1 eine Funkenstreckenanordnung mit vier Elektroden und drei Halterahmen, in Explosionsdarstellung,
2 einen Halterahmen, in Draufsicht,
3 eine Schnittdarstellung des Halterahmens gemäß 2,
4 eine vergrößerte Detaildarstellung von 3,
5 eine Schnittdarstellung zweier Halterahmen mit drei aufgenommenen Elektroden,
6 drei verdreht zueinander angeordnete Halterahmen,
7 drei verdreht zueinander angeordnete Halterahmen, mit einer im oberen Halterahmen eingesetzten Elektrode,
8 eine Schnittdarstellung von vier in Stapelanordnung angeordnete Elektroden zwei Steuerungselementen und
9 eine vergrößerte Detaildarstellung von 8.

Die Figuren zeigen eine Funkenstreckenanordnung 1 bzw. Elektroden 2 und Halterahmen 3 für eine Funkenstreckenanordnung 1, wobei jeder Halterahmen 3 zwei Elektroden 2 teilweise aufnehmen kann. Eine Funkenstreckenanordnung 1 besteht aus mindestens drei Elektroden 2 und mindestens zwei, die Elektroden 2 aufnehmenden Halterahmen 3, wobei die Halterahmen 3 flächig übereinander angeordnet sind. Auch wenn in 1 nur drei Halterahmen 3 dargestellt sind, so ist die Anzahl der Halterahmen 3 und damit auch die Anzahl der Elektrode 2, die Teil der Funkenstreckenanordnung 1 sind, nicht darauf beschränkt, sondern eine Funkenstreckenanordnung 1 kann auch deutlich mehr Elektroden 2 und somit auch deutlich mehr Halterahmen 3 aufweisen. Grundsätzlich kann eine Funkenstreckenanordnung 1 mit n Halterahmen 3 insgesamt n - 1 Elektroden 2 aufnehmen.
Eine Explosionsdarstellung einer solchen Funkenstreckenanordnung 1 ist in 1 dargestellt. Die dargestellte Funkenstreckenanordnung besteht aus drei Halterahmen 3, 3', 3" und vier Elektroden 2, von denen jedoch nur drei Elektroden 2 sichtbar ist. Beim mittleren Halterahmen 3' ist nur die vordere Elektrode 2 sichtbar, die im montierten Zustand zwischen dem vorderen Halterahmen 3 und dem mittleren Halterahmen 3' angeordnet ist. Nicht sichtbar ist die Elektrode, die im montierten Zustand zwischen dem mittleren Halterahmen 3' und dem hinteren Halterahmen 3" angeordnet ist. Diese Elektrode ist ebenfalls im mittleren Halterahmen 3' angeordnet, wird jedoch bei der Darstellung gemäß 1 von der im mittleren Halterahmen 3' angeordneten ersten, vorderen Elektrode 2 verdeckt.
Aus der Darstellung der Funkenstreckenanordnung 1 und auch aus der Darstellung eines einzelnen Halterahmens 3 gemäß 2 ist ersichtlich, dass der Halterahmen 3 einen Rand 4 aufweist, der eine Ausnehmung 5 zur Aufnahme einer Elektrode 2 umgibt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 2 rechteckig, insbesondere quadratisch, sodass auch die von dem Rand 4 umschlossene Ausnehmung 5 rechteckig bzw. quadratisch ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem der Rand 4 des Halterahmens 3 vollständig umlaufend. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass der Rand Unterbrechungen aufweist, so lange weiterhin eine sichere Aufnahme einer Elektrode 2 gewährleistet ist.
Im Rand 4 des Halterahmens 3 ist jeweils eine Aufnahmeöffnung 6 ausgebildet, in die ein Steuerungselement 7, bei dem es sich insbesondere um einen Kondensator handeln kann, eingesetzt werden kann. Die Steuerungselemente 7 der Funkenstreckenanordnung 1 dienen zur Ansteuerung bzw. Triggerung der einzelnen Funkenstrecken, wozu ein Steuerungselement 7 jeweils mit einer Elektrode 2 elektrisch verbunden wird. Bei der erfindungsgemäßen Funkenstreckenanordnung 1 erfolgt die Kontaktierung der einzelnen Elektroden 2 nicht - wie im Stand der Technik - an deren Schmalseite, sondern auf der Vorderseite bzw. der Rückseite der Elektrode 2, also auf der großen Fläche der Elektrode 2.
Hierzu sind die einzelnen Halterahmen 3, und mit ihnen die darin angeordneten Elektroden 2, um ihre senkrecht zur Ebene der Halterahmen 3 angeordneten Mittelachse M derart verdreht zueinander angeordnet, dass die Aufnahmeöffnung 6 eines ersten Halterahmens 3 sich oberhalb einer Elektrode 2 befindet, die in einem darunter angeordneten zweiten Halterahmen 3 aufgenommen ist. Dadurch kann das in der Aufnahmeöffnung 6 des ersten Halterahmens 3 angeordnete Steuerungselement 7 die in dem darunter angeordneten zweiten Halterahmen 3 aufgenommene Elektrode 2 kontaktieren. Die erfindungsgemäße Funkenstreckenanordnung 1 weist somit mehrere übereinander angeordnete Halterahmen 3 auf, die jeweils um die Mittelachse M verdreht zueinander angeordnet sind, sodass sich ein verdreht montierter Stapel von Halterahmen 3 ergibt, die jeweils zwei Elektroden 2 aufnehmen. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist die Aufnahmeöffnung 6 in der Nähe einer Ecke des Halterahmens 3 angeordnet, sodass ein in der Aufnahmeöffnung 6 eingesetztes Steuerungselement 7 die darunter liegende Elektrode 2 ebenfalls im Bereich einer Ecke kontaktiert.
Aus der 2 ist auch ersichtlich, dass der Halterahmen 3 einen nach innen, zur Mittelachse M gerichteten kragenförmigen Auflageabschnitt 8 aufweist, an dem auf beiden Seiten jeweils eine Elektrode 2 anliegt, wenn sie von dem Halterahmen 3 aufgenommen ist. In Richtung der Mittelachse M werden die Elektroden 2 somit insbesondere durch den Auflageabschnitt 8 in ihrer Position gehalten. Neben der Funktion der Positionierung einer Elektrode 2 im Halterahmen 3 übernimmt der Auflageabschnitt 8 auch die Funktion der ansonsten bei Stapelfunkenstrecken häufig eingesetzten Isolationsfolie zwischen den einzelnen Elektroden 2. Die Dicke der einzelnen Halterahmen 3 sowie die Dicke und die Position des Auflageabschnitts 8 im Halterahmen 3 bestimmt dabei, mit welchem Abstand die einzelnen Elektroden 2 im montierten Zustand zueinander angeordnet sind.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der kragenförmige Auflageabschnitt 8, in Richtung der Mittelachse M gesehen, mittig im Halterahmen 3 angeordnet, wie insbesondere aus der Schnittdarstellung gemäß 3 und der vergrößerten Detaildarstellung gemäß 4 ersichtlich ist. Aus der Schnittdarstellung gemäß 5 ist dabei ersichtlich, dass der Abstand zwischen zwei Elektroden 2 durch die Dicke des Auflageabschnitts 8 der Halterahmen 3 bestimmt wird. Aus dieser Schnittdarstellung ergibt sich auch, wie drei Elektroden 2 von zwei Halterahmen 3, 3' aufgenommen werden, wobei die mittlere Elektrode 2 zwischen den beiden Halterahmen 3, 3' angeordnet und dadurch von beiden Halterahmen 3, 3' gemeinsam aufgenommen wird. Außerdem ist aus der Darstellung gemäß 5 ersichtlich, dass an beiden Seiten des kragenförmigen Auflageabschnitts 8 eines Halterahmens 3 jeweils eine Elektrode 2 anliegt.
Auch wenn die einzelnen Elektroden 2 eine rechteckige, insbesondere quadratische Form aufweisen und somit auch der Rand 4 des Halterahmens 3, der eine aufgenommene Elektrode 2 außen umgibt, eine quadratische Form aufweist, so weichen sowohl die Außenkontur als auch die Innenkontur des Halterahmens 3 von der Form eines Rechtecks ab. Die von einem Rechteck abweichende Außenkontur des Halterahmens 3 wird dafür genutzt, Platz für die Anordnung der Aufnahmeöffnung 6 für das Steuerungselement 7 zur Verfügung zu stellen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Halterahmen 3 an allen vier Seiten jeweils einen nach außen gerichteten, in Richtung einer jeweiligen Ecke ansteigenden Abschnitt 9 auf, wobei nur in zweien dieser Abschnitte 9 jeweils eine Aufnahmeöffnung 6 ausgebildet ist.
Die von der Form eines Rechtecks abweichende Innenkontur des Halterahmens 3 ist dadurch realisiert, dass der Auflageabschnitt 8 einen nicht rechteckförmigen Innenrand 10 aufweist. Der kragenförmige Auflageabschnitt 8 weist dazu an allen vier Seiten einen nach innen ragenden, jeweils in Richtung einer Ecke ansteigenden Abschnitt 11 auf. Dabei sind ein nach außen ansteigender Abschnitt 9 des Halterahmens 3 und der nach innen ansteigende Abschnitt 11 des Auflageabschnitts 8 derart versetzt zueinander angeordnet, dass die beiden Abschnitte 9, 11 einer Seite des Halterahmens 3 nicht einander gegenüberliegen. In der in 2 dargestellten Draufsicht auf einen Halterahmen 3 scheint dieser somit aus zwei, um einen Winkel verdreht zueinander angeordnete, jeweils quadratische Halterahmen zu bestehen.
Die zuvor beschriebene Ausgestaltung des Auflageabschnitts 8 führt dazu, dass dieser einen achteckigen Innenrand aufweist, wobei die acht Innenwinkel nicht alle gleich groß sind. Vielmehr weist der Innenrand 10 vier kleinere Innenwinkel δ₁ und vier größere Innenwinkel δ₂ auf, wobei die kleineren Innenwinkel δ₁ und die größeren Innenwinkel δ₂ abwechselnd zueinander angeordnet sind. Der Innenwinkel δ₁ beträgt 90° + α und der Innenwinkel δ₂ beträgt 180° - α, wobei der Winkel α dem Verdrehwinkel zweier Halterahmen 3 zueinander entspricht. Dieser Winkel α kann insbesondere im Bereich zwischen 5 und 10° liegen, sodass der erste Innenwinkel δ₁ zwischen 95° und 100° beträgt und der zweite Innenwinkel δ₂ zwischen 170° und 175° beträgt.
6 zeigt beispielhaft drei übereinander angeordnete Halterahmen 3, die um ihre Mittelachse M verdreht zueinander angeordnet sind. Der Verdrehwinkel α zwischen dem ersten Halterahmen 3 und dem darunter angeordneten zweiten Halterahmen beträgt dabei 7,5°. 7 zeigt die gleiche Anordnung von drei Halterahmen 3, wobei die einzelnen Halterahmen 3 jeweils zwei Elektroden 2 aufnehmen, die zusammen eine Funkenstrecke bilden. Die zwischen dem ersten Halterahmen 3 und dem zweiten Halterahmen 3' angeordnete Elektrode 2 ist dabei durch die Aufnahmeöffnung 6 im ersten, oberen Halterahmen 3 sichtbar, sodass ein in der Aufnahmeöffnung 6 eingestecktes Steuerungselement 7 diese Elektrode 2 auf ihrer Vorderseite kontaktieren kann.
Damit die einzelnen Halterahmen 3 in ihrer gewollt zueinander verdrehten Anordnung verbleiben, sind die einzelnen Halterahmen 3 in ihrer verdrehten Anordnung arretiert. Hierzu ist an den Seiten des Halterahmens 3 jeweils ein Arretierelement 12 ausgebildet, das mit dem korrespondierenden Arretierelement 12 eines zweiten Halterahmens 3 zusammenwirkt, wenn die beiden Halterahmen 3 übereinandergestapelt sind. Wie aus der Explosionsdarstellung der Funkenstreckenanordnung 1 gemäß 1 ersichtlich ist, ist auch die Montage eines Überspannungsschutzgeräts mit einer solchen Funkenstreckenanordnung 1 sehr einfach, da die einzelnen Bauteile nacheinander aufeinander gestapelt werden können. Dabei kann die Montage insbesondere aus einer Richtung erfolgen.
Zum elektrischen Anschluss der Funkenstreckenanordnung 1 sind darüber hinaus noch zwei Kontaktplatten 13, 14 vorgesehen, wobei vorliegend die Kontaktplatte 13 zum Anschluss eines PE-Leiters und die Kontaktplatte 14 zum Anschluss eines Neutral-Leiters vorgesehen ist. Darüber hinaus ist in 1 eine Gehäusehalbschale 15 dargestellt, die einen Teil eines die Funkenstreckenanordnung 1 aufnehmenden Gehäuses bildet. Die Abmessungen der Gehäusehalbschale 15 sind dabei nur geringfügig größer als die Außenabmessungen der Funkenstreckenanordnung 1 bzw. der einzelnen Halterahmen 3, da für die Steuerungselemente 7 kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
Die Kontaktierung einzelner Elektroden 2 durch Steuerungselemente 7 ist aus der Schnittdarstellung gemäß 8 und 9 ersichtlich, wobei in den beiden Schnittdarstellungen nur die Elektroden 2 in ihrer durch die Halterahmen 3 vorgegebenen, zueinander verdrehten Position, aber nicht die Halterahmen 3 selber dargestellt sind. Die ganz rechts angeordnete erste Elektrode 21 ist auf der einen Seite von der Kontaktplatte 14 kontaktiert, die ihrerseits mit einen Anschlusselement 16 zum elektrischen Anschluss eines Neutral-Leiters verbunden ist. Auf der anderen Seite der ersten Elektrode 21 befindet sich die zweite Elektrode 22, die durch den zwischen beiden Elektroden 21, 22 angeordneten Auflageabschnitt des ersten Halterahmens voneinander beabstandet sind, sodass die beiden Elektroden 21, 22 eine erste Funkenstrecke bilden. Entsprechend bilden die zweite Elektrode 22 und die mit Abstand dazu benachbart angeordnete dritte Elektrode 23 eine zweite Funkenstrecke sowie die dritte Elektrode 23 und die ebenfalls mit Abstand dazu benachbart angeordnete vierte Elektrode 24 eine dritte Funkenstrecke der Funkenstreckenanordnung 1. Die der dritten Elektrode 23 abgewandte Seite der vierten Elektrode 24 ist dann mit der, hier nicht dargestellten, Kontaktplatte 23 verbunden, die zum Anschluss eines PE-Leiters vorgesehen ist.
Auf der der ersten Elektrode 21 abgewandten Seite der Kontaktplatte 14 ist eine Stromschiene 17 angeordnet und elektrisch leitend mit der Kontaktplatte 14 verbunden, wobei die beiden Enden 18, 19 der Stromschiene 16 jeweils einen ersten Anschluss eines Steuerungselements 7, 7' kontaktieren. Das in 8 oben dargestellte ersten Steuerungselement 7 ist in einer ersten Öffnung 6 im ersten Halterahmen 3 angeordnet. Dadurch kann es mit seinem zweiten Anschluss die zweite Elektrode 22, die verdreht zur ersten Elektrode 21 im ersten Halterahmen 3 angeordnet ist, auf deren Vorderseite kontaktieren, ohne mit seinem zweiten Anschluss die erste Elektrode 21 zu berühren.
Das in 8 unten und in der 9 dargestellte zweite Steuerungselement 7' ist in einer zweiten Öffnung 6 im ersten Halterahmen 3 angeordnet. Diese Steuerungselement 7' kann dadurch mit seinem zweiten Anschluss die dritte Elektrode 23, die im zweiten Halterahmen 3' angeordnet ist, auf deren Vorderseite kontaktieren, ohne mit seinem zweiten Anschluss die erste Elektrode 21 und die zweite Elektrode 22 zu kontaktieren. Dadurch, dass die beiden Steuerungselemente 7, 7' jeweils in einer Öffnung 6 im ersten Halterahmen 3 angeordnet sind, können auch die erforderlichen Isolationsabstände zwischen den Steuerungselementen 7, 7' selber sowie zwischen den Steuerungselementen 7, 7' und den von ihnen nicht kontaktierten Elektroden 21, 22 eingehalten werden.
Bezugszeichen

1: Funkenstreckenanordnung
2: Elektroden
3: Halterahmen
4: Rand
5: Ausnehmung
6: Aufnahmeöffnung
7: Steuerungselement
8: Auflageabschnitt
9: Abschnitt, außen
10: Innenrand
11: Abschnitt, innen
12: Arretierelement
13: Kontaktplatte PE
14: Kontaktplatte N
15: Gehäusehalbschale
16: Anschlusselement
17: Stromschiene
18, 19: Enden der Stromschiene
M: Mittelachse
α: Verdrehwinkel
δ1: Innenwinkel
δ2: Innenwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202013102647 U1 [0004]
DE 102016114787 A1 [0005]
DE 102011102864 A1 [0006]
DE 102018118898 B3 [0007]

Claims

Funkenstreckenanordnung (1) mit mindestens drei Elektroden (2) und mit mindestens zwei Halterahmen (3), die flächig übereinander angeordnet sind, wobei die Halterahmen (3) jeweils einen Rand (4) aufweisen, der eine Ausnehmung (5) zur Aufnahme mindestens einer Elektrode (2) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass im Rand (4) mindestens eines Halterahmens (3) mindestens eine Aufnahmeöffnung (6) ausgebildet ist, in der ein Steuerungselement (7) angeordnet ist, und dass die einzelnen Halterahmen (3) derart um ihre senkrecht zur Ebene des Halterahmens (3) angeordnete Mittelachse M verdreht zueinander angeordnet sind, dass die Aufnahmeöffnung (6) eines ersten Halterahmens (3) sich oberhalb einer Elektrode (2) befindet, die in einem darunter angeordneten zweiten Halterahmen (3) aufgenommen ist, sodass das in der Aufnahmeöffnung (6) des ersten Halterahmens (3) angeordnete Steuerungselement (7) die in dem darunter angeordneten zweiten Halterahmen (3) aufgenommene Elektrode (2) kontaktiert.
Funkenstreckenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Aufnahmeöffnung (6) in der Nähe einer Ecke des Halterahmens (3) angeordnet ist.
Funkenstreckenanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterahmen (3) jeweils einen nach innen, zur Mittelachse M gerichteten kragenförmigen Auflageabschnitt (8) aufweisen, an dem jeweils mindestens eine Elektrode (2) zur Anlage kommt.
Funkenstreckenanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterahmen (3) eine Außenkontur und eine Innenkontur aufweisen, die jeweils von der eines Rechtecks abweicht.
Funkenstreckenanordnung (1) nach Anspruch 4, wobei zwei Halterahmen (3) um einen Winkel α verdreht zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der kragenförmige Auflageabschnitt (8) einen achteckigen Innenrand (10) aufweist, wobei vier Innenwinkel δ₁ einen Wert von 90° + α und vier Innenwinkel δ₂ einen Wert von 180° - α aufweisen und die Innenwinkel δ₁ und δ₂ abwechselnd zueinander angeordnet sind.
Funkenstreckenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Halterahmen (3) in ihrer zueinander verdrehten Anordnung arretiert sind.
Funkenstreckenanordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterahmen (3) jeweils an mindestens einer Seite mindestens ein Arretierelement (12) aufweisen, wobei zwei Arretierelemente (12) zweier Halterahmens (3) zusammenwirken, wenn die beiden Halterahmen (3) übereinandergestapelt sind.
Funkenstreckenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elektroden (3) als vorzugsweise rechteckige, dünne Scheiben aus Graphit oder einem Wolfram-Kupfer Verbundwerkstoff ausgebildet sind.
Halterahmen (3) für eine Funkenstreckenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Rand (4), der eine Ausnehmung (5) zur Aufnahme einer Elektrode (2) umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass im Rand (4) mindestens eine Aufnahmeöffnung (6) zur Aufnahme eines Steuerungselements (7) ausgebildet ist.
Halterahmen (3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein nach innen, zur Mittelachse M des Halterahmens (3) gerichteter kragenförmigen Auflageabschnitt (8) ausgebildet ist.
Halterahmen (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur und die Innenkontur des Halterahmens (3) von der eines Rechtecks abweicht, und dass der kragenförmige Auflageabschnitt (8) einen achteckigen Innenrand (10) aufweist, wobei vier Innenwinkel δ₁ einen Wert von 90° + α und vier Innenwinkel δ₂ einen Wert von 180° - α aufweisen und die Innenwinkel δ₁ und δ₂ abwechselnd zueinander angeordnet sind.
Halterahmen (3) nach einem der Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Seite mindestens ein Arretierelement (12) ausgebildet ist, dass zur Arretierung des Halterahmens (3) mit einem zweiten Halterahmen (3) dient.