DE19510181C1 - Anordnung zur Ableitung von Überspannungen und zur Löschung des Netzfolgestromes - Google Patents

Description

Die Erfindung geht von einer Anordnung zur Ableitung von Überspannungen und zur Löschung des Netzfolgestromes mit zwei Funkenstrecken, von denen eine erste Funkenstrecke der Zündung des Über­ schlages dient und hiermit einen Überschlag auch an der anderen, zweiten Funkenstrecke einleitet, aus. Eine solche Anord­ nung ist beispielsweise aus DE-OS 42 40 138 bekannt. Hierbei ist die erste Funkenstrecke relativ hochohmig mit einer eine relativ kurzen Überschlagstrecke aufweisenden Isolier­ schicht, während die mit ihr in Reihe liegende und nachge­ schaltete zweite Funkenstrecke demgegenüber niederohmig ist und eine eine relativ lange Überstrecke aufweisende Isolier­ schicht besitzt. Im Überspannungsfall liegt der größte Teil dieser Spannung an der hochohmigen ersten Funkenstrecke an und bringt diese zum Zünden. Der dann über diese Reihen­ schaltung fließende Strom läßt an der zweiten Funkenstrecke einen Spannungsabfall entstehen, der auch die zweite Funken­ strecke zum Zünden bringt. Man erhält den Vorteil zweier, voneinander räumlich getrennter Lichtbögen, so daß, gegen­ über einer Einzelfunkenstrecke, über der gesamten Anordnung zum Zeitpunkt des Löschens die doppelte Bogenspannung liegt. Hierdurch werden günstigere Löschbedingungen erreicht. Nachteilig ist nur, daß der gesamte Strom über beide Funken­ strecken zu fließen hat, d. h. beide Funkenstrecken müssen entsprechend groß gebaut werden und unterliegen außerdem dem gleichen Verschleiß aufgrund der thermischen Effekte der Lichtbogen.

Weiterhin ist aus der CH-PS 596 681 eine Steuerungsanordnung für die Funkenstrecken eines Überspannungsableiters bekannt, bei welcher zwei Hauptfunkenstrecken hintereinander geschal­ tet sind und parallel zu den Hauptfunkenstrecken Steuer­ widerstände mit verschiedenem Exponenten geschaltet sind. Um das Ansprechverhalten gezielt zu steuern sind bei den zwei räumlich völlig getrennten Hauptfunkenstrecken die Steuerwi­ derstände so bemessen, daß bei einer als Löschspannung bezeichneten Spannung die Amplitude der Spannung an dem Widerstand mit dem kleinerem Exponenten größer ist, als die der Spannung an dem Widerstand mit dem größerem Exponenten. Weiterhin ist dem Steuerwiderstand mit dem kleinerem Expo­ nenten eine Reihenschaltung aus linearem Widerstand und Schaltfunkenstrecken parallel geschaltet, wobei die Schalt­ funkenstrecke räumlich von den beiden Hauptfunkenstrecken getrennt ist. Eine Anregung, durch die einerseits die Forde­ rung nach einem möglichst niedrigem Schutzpegel, anderer­ seits die Forderung nach hoher Stoßstromtragfähigkeit bzw. hohem Folgestrom-Löschvermögen erfüllt werden kann, ist der Steuerungsanordnung gemäß CH-PS 596 681 nicht zu entnehmen.

Schließlich ist aus der DE-AS 20 62 063 eine Schutzeinrich­ tung für Hochspannungsanlagen mit zwei parallel zueinander liegenden Funkenstrecken bekannt, bei der eine Funkenstrecke ein gleichmäßiges elektrisches Feld für Überschläge im Bereich von Impulsspannungen und die andere Funkenstrecke ein ungleichmäßiges elektrisches Feld für Überschläge im Bereich langsamer Wellenspannungen aufweist. Mittels einer solchen Schutzeinrichtung kann das Ansprechverhalten der Funkenstrecken gezielt gesteuert werden, wobei durch ver­ schiedene Elektrodenformen das homogene bzw. inhomogene Feld erzeugt wird. Das unterschiedliche Zündverhalten in Folge der unterschiedlich geformten Funkenstrecken ermöglicht bei unterschiedlichen zeitlichen Verläufen der Überspannungen immer ungefähr das gleiche Ansprechverhalten. Eine Anregung, die beiden Funkenstrecken im Funktionsablauf von Zünden und Löschen vorteilhaft auszubilden ist der Schutzeinrichtung gemäß DE-AS 2.062 063 nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom Gegenstand der DE-OS 42 40 138 eine Anordnung zur Ableitung von Überspannungen und zur Löschung des Netzfolgestromes mit zwei Funkenstrecken zu schaffen, deren Funktionsablauf von Zünden und Löschen vorteilhaft ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung weist hierzu zwei Funkenstre­ cken auf, von denen eine erste Funkenstrecke der Zündung des Überschlages dient und hiermit einen Überschlag auch an der anderen, zweiten Funkenstrecke einleitet. Weiterhin sind die erste und die zweite Funkenstrecke zueinander parallel geschaltet, wobei die zweite Funkenstrecke eine wesentlich größere Ansprechspannung als die erste Funkenstrecke hat. In dem Leitungszweig der ersten Funkenstrecke ist mit dieser eine Impedanz in Reihe geschaltet, wobei erste und zweite Funkenstrecke sowie Impedanz so bemessen sind, daß der bei Zündung der ersten Funkenstrecken an ihr und der damit in Reihe geschalteten Impedanz entstehende Spannungsabfall größer als die Ansprechspannung der zweiten Funkenstrecke ist. Hiermit erfolgt eine Funktionstrennung in der Weise, daß die erste Funkenstrecke nur die Funktion der Zündung der Anordnung übernimmt, während die zweite Funkenstrecke nach erfolgter Zündung den größten Teil des Stromstoßes bzw. Folgestromes führt und diesen zum Löschen bringt. Durch die Parallelschaltung aus erster und zweiter Funkenstrecke kann als weiterer Vorteil neben der elektrischen Integration auch die mechanische Integration der beiden eingangsseitigen Elektroden von erster und zweiter Funkenstrecke erreicht werden. Bei einer flächigen Bauweise der Gesamtanordnung (siehe Anspruch 5) wird wesentlich weniger an Platz und Materialeinsatz beansprucht als beim Einsatz vorbekannter, rotationssymmetrischer Funkenstrecken.

Die erste Funkenstrecke erfüllt in der erfindungsgemäßen Anordnung die Schutzfunktion und erfüllt die Forderung nach einem möglichst niedrigem Schutzpegel. Damit würden große Stoßströme bzw. Netzfolgeströme zur Beschädigung dieser empfindlichen Funkenstrecke führen. Aufgrund des im Leitungszweig der ersten Funkenstrecke befindlichen Widerstan­ des fließt dagegen über dienen Leitungszweig und damit über die erste Funkenstrecke nach erfolgter Zündung auch der zweiten Funkenstrecke nur noch ein ganz geringer Strom. Dies hat den Vorteil, daß die erste Funkenstrecke relativ klein dimensioniert werden muß und nicht den thermischen Wirkungen eines größeren Stromes ausgesetzt ist. Nur die zweite Fun­ kenstrecke muß so bemessen sein, daß sie den größeren Teil der anfallenden Stoß- bzw. Folgeströme aushalten kann. Hiermit sind die bei solchen Überspannungsableiteranordnung gen in der Praxis entstehenden, sich widersprechenden Forde­ rungen nach einem möglichst niedrigen Schutzpegel einerseits bei gleichzeitig hoher Stoßstromtragfähigkeit bzw. hohem Folgestromlöschvermögen andererseits bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Gesamtanordnung erfüllt. Die vorstehend erläuterte Funktion einer solchen Anordnung ergibt einen zwangsläufigen und schnellen Ablauf der Vorgänge, indem nach der Zündung der ersten Funkenstrecke sehr schnell auch die Zündung der zweiten Funkenstrecke erfolgt, welche die Funk­ tion einer Hauptentladungsstrecke für den entstehenden Folgestrom hat. Die erste Funkenstrecke ist also nur kurz­ zeitig am eigentlichen Ableitvorgang beteiligt und ermög­ licht eine kleine Ansprechspannung der Gesamtanordnung, da ihre Ansprechspannung wesentlich kleiner sein kann als die der zweiten Funkenstrecke.

Im vorstehenden Zusammenhang empfehlen sich die Ausgestal­ tung der zweiten Funkenstrecke gemäß Anspruch 2 und ferner die Unterschiede in den Elektrodenabständen der ersten und der zweiten Funkenstrecke gemäß den Ansprüchen 3 und 4. Der im Verhältnis zur ersten Funkenstrecke große Elektrodenab­ stand der zweiten Funkenstrecke fördert den Löschvorgang.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind den weite­ ren Unteransprüchen, sowie der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung von Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung zu entnehmen.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das elektrische Schaltbild einer Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 den prinzipiellen elektrischen und mechanischen Aufbau einer Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 die Elektroden beider Funkenstrecken in einer räumlich zusammengefaßten Bauweise in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 4,

Fig. 4 die Draufsicht auf Fig. 3,

Fig. 5 eine weitere bauliche Ausführung beider Funken­ strecken mit ihren Elektroden in der Seitenan­ sicht und zum Teil im Schnitt,

Fig. 6 in einem Schnitt gemäß der Linie VI-VI der Fig. 7 eine dritte Ausführungsmöglichkeit der Ge­ staltung der beiden Funkenstrecken mit ihren Elektroden,

Fig. 7 die Draufsicht auf Fig. 6.

Das Schaltschema gemäß Fig. 1 zeigt eine Anordnung bestehend aus zwei parallel geschalteten Leitungszweigen 1, 2, mit der durch das Blitzzeichen angedeuteten Eingangsseite 3 und ferner der Erdung 17 der Ausgangsseite. Im Leitungszweig 1 ist eine erste Funkenstrecke 4 mit den beiden Elektroden 4a und 4b und damit in Reihe geschaltet eine Impedanz 5 vorge­ sehen. Im Parallelzweig 2 befindet sich die zweite Funken­ strecke 6 mit den Elektroden 6a und 6b. Im Überspannungsfall zündet zunächst die erste Funkenstrecke 4 deren Ansprech­ spannung wesentlich kleiner ist als die der zweiten Funken­ strecke 6. Hierzu empfiehlt es sich, daß der Abstand 6c der Elektroden 6a, 6b der zweiten Funkenstrecke 6 wesentlich größer ist als der Abstand 4c der Elektroden 4a, 4b der ersten Funkenstrecke (siehe Fig. 2 bis 4). Beispielsweise kann der Elektrodenabstand der zweiten Funkenstrecke 6 etwa 5 bis 10 mal größer sein als der Elektrodenabstand der ersten Funkenstrecke 4. Aufgrund des dann über den Leitungs­ zweig 1 fließenden Stromes entsteht aufgrund einer entspre­ chenden Bemessung der vorgenannten Elemente 4, 5, 6 dieser Anordnung an dem Leitungszweig 1 zwischen den beiden Punkten 7, 8 ein Spannungsabfall, der eine Zündung der zweiten Funkenstrecke 6 bewirkt. Diese übernimmt aufgrund ihres dann sehr geringen Innenwiderstandes praktisch den gesamten Folgestrom. Die zweite Funkenstrecke 6, nämlich die Lösch­ funkenstrecke hat gegenüber der ersten Funkenstrecke (Zünd­ funkenstrecke 4) massive stoßstrom- und folgestromtragfähige Elektroden.

Erwähnt sei, daß die Lichtbogenausbildung zwischen den Elektroden 6a, 6b der zweiten Funkenstrecke 6 auch dadurch begünstigt wird, daß bereits mit dem Beginn des Auftretens der Überspannung am Eingang 3 durch den Lichtbogen zwischen den Elektroden 4a, 4b der ersten Funkenstrecke eine Vorioni­ sation der zweiten Funkenstrecke erfolgt. Dies kann durch gestalterische Maßnahmen entsprechend der Fig. 3 bis 7 begünstigt werden. Die vorgenannten Abstände und auch der bereits eingangs erläuterte Größenunterschied der zweiten Funkenstrecke zur ersten Funkenstrecke ist aus der schemati­ schen Darstellung gemäß Fig. 2 ersichtlich, wobei die Ab­ stände 4c und 6c mit eingezeichnet sind. Außerdem ist in Fig. 2 angedeutet, daß durch verschiedene Elektrodenformen, die z. B. ein homogenes bzw. inhomogenes Feld erzeugen, ebenso ein unterschiedliches Zündverhalten erreicht werden kann. Dabei ist die in Fig. 2 dargestellte Kugelform eine bevorzugte Ausführung der Elektroden 6a, 6b der zweiten Funkenstrecke 6.

Fig. 3 und 4 zeigen als erstes Beispiel einer baulichen Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind die elektrisch kurzgeschlossenen Elektroden 4a und 6a zu einer gemeinsamen metallischen eingangsseitigen Elektrode 4a/6a vereinigt. Diese beiden Elektroden 4a, 6a sind also elektrisch und mechanisch integriert. Ferner sind die Elektrode 4b der ersten Funkenstrecke und die Impendanz 5 zu einem gemeinsa­ men Bauteil 4b/5 aus einem Material vereinigt, das sowohl als Elektrode als auch als Widerstand dienen kann. Bei­ spielsweise ist dies eine Keramik oder ein Isolierstoff, der durch Beimischung von leitfähigen Partikeln als Elektrode tätig sein kann und außerdem einen gewissen spezifischen Durchgangswiderstand, beispielsweise von 10³ Ω weist. Somit entsteht eine 3-Elektrodenanordnung, bestehend aus zwei metallischen Elektroden 4a, 6a bzw. 6b und einer strombegrenzenden, nicht metallischen Elektrode 4b/5 als impedanzbehaftete Elektrode. Damit über die Impedanz-Elek­ trode 4b/5 nur der relativ kleine Strom des Leitungszweiges 1 läuft, muß diese Impedanz-Elektrode einen Widerstandswert wie vorstehend angegeben aufweisen. Darüber hinaus kann die Impedanz-Elektrode aus einem Material bestehen, das im Überschlagsfall aufgrund seiner Erhitzung ein Löschgas freisetzt. Hierdurch werden die Löscheigenschaften und die Lichtbogenwanderung verbessert, und zwar nicht nur die des Lichtbogens 4d der ersten Funkenstrecke 4, sondern auch die des Lichtbogens 6d der zweiten Funkenstrecke 6, da an das Teil 4b/5 sich räumlich und auch elektrisch die zweite, metallische und mit der Erde 17 verbundene Elektrode 6b der zweiten Funkenstrecke 6 anschließt. Mit dieser flächigen Bauweise der Gesamtanordnung wird wesentlich weniger an Platz und Materialeinsatz beansprucht als beim Einsatz vorbekannter, rotationssymmetrischer Funkenstrecken.

Die vorbeschriebene Anordnung der Erfindung ist sehr lei­ stungsfähig. Es sind baulich nur noch zwei metallische Elektroden, nämlich 4a/6a und 6b vorzusehen und so zu bemes­ sen, daß sie ohne Schädigung den Folgestrom übernehmen können, wobei die Elektrode 4b und die Impedanz 5 zu einem gemeinsamen Bauteil vereinigt sind. Die vorgenannten Bau­ teile 4a/6a, 4b/5 und 6b sind platten- oder scheibenförmig ausgebildet, dabei ineinander verschachtelt und bilden zusammen eine plattenförmige Schicht, die auf einer sie tragenden Grundplatte 9 aus einem Dielektrikum aufgebracht ist. Die Bauhöhe sowie die gesamte Größe dieser Einheit aus der vorgenannten Schicht und der Grundplatte 9 ist vorteil­ hafterweise sehr gering.

Fig. 3 zeigt ferner, daß die zugehörigen Oberflächen der Elektroden sich bevorzugt planparallel gegenüberstehen, so daß sich zwischen ihnen ein homogenes elektrisches Feld ausbildet.

Die Elektrode 4a/6a kann in Richtung des Doppelpfeiles 10 verstellt werden, wodurch der Abstand 4c der Elektroden 4a und 4b so veränderbar ist, daß die Anordnung auf die jeweils gewünschte Ansprechspannung einstellbar ist. Die Grundplatte 9 kann aus einem dielektrischen Material bestehen, dessen Dielektrikum erheblich von Luft abweicht und zudem bei Erhitzung ein Löschgas freisetzt. Dadurch tritt bereits bei kleinen Spannungen an der Grenzschicht dieses Dielektrikums zur Luft eine Gleitentladung auf, deren Einstellbarkeit durch Überbrückung der Oberfläche der Grundplatte 9 mittels der Elektrode 4a/6b möglich ist.

Das Luftvolumen 11 kann, falls dies erforderlich sein soll­ te, ebenso durch das Material der Grundplatte 9 ersetzt werden.

Der Anschluß 3 ist an die Elektrode 4a/6a und die Erdleitung 17 an die Elektrode 6b gelegt. Die metallischen Elektroden 4a, 6a und 6b sind beispielsweise aus Kupfer, insbesondere einem abbrandfesten Material wie Wolfram-Kupfer. Die Haupt­ entladung 6d der Hauptentladungsstrecke 6 findet zwischen den beiden metallischen Elektroden 4a/6a und 6b der Fig. 3, 4 statt. Hierzu gehört der Lichtbogen 6d. Der Lichtbogen 4d gehört dagegen zur Zündfunkenstrecke 4. Die Zündfunkenstre­ cke 4 kann auch in der bereits beschriebenen Art und Weise als Gleitfunkenstrecke ausgeführt sein. Auch hierzu ist die erläuterte Verstellbarkeit des Elektrodenabstandes von Vorteil.

Eine in der Funktion mit dem Beispiel der Fig. 3, 4 prinzi­ piell gleiche, baulich aber andere Ausführungsform der Erfindung ist Gegenstand der Fig. 5. Sie zeigt in einem Gehäuse 12 mit Abdeckplatten 13 zwei rotationssymmetrische metallische Elektroden 4a/6a und 6b mit den elektrischen Anschlüssen 3 und 17, sowie der Impedanz-Elektrode 4b/5. Die Lichtbogen 4d und 6d sind ebenfalls eingezeichnet, ein­ schließlich der Abstände 4c und 6c. Der die vorgenannten Elektroden umschließende Ringraum 14 ist mit Luft gefüllt.

Die Ausführung nach den Fig. 6 und 7 ist im Prinzip so wie die Ausführung nach Fig. 3 und 4 aufgebaut. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die flächig ausgebildeten, metallischen Elektroden 4a/6a und 6b in an sich bekannter Weise hörnerartige und auseinanderlaufende Verlängerungen 15 aufweisen. Hiermit wird ein Auseinanderlaufen des Lichtbo­ gens 6d in der Pfeilrichtung 16 aufgrund des sich bildenden thermischen Auftriebes bzw. durch den Druck des unter Hitze­ einwirkung aus dem Grundplattenmaterial austretenden Gases erreicht und hiermit das Löschverhalten weiter verbessert.

Die elektrische Funktion der einzelnen Ausführungsbeispiele, insbesondere die Aufeinanderfolge der Zündung des Lichtbo­ gens an einer ersten Funkenstrecke 4 und der Zündung einer zweiten Funkenstrecke 6 sind jeweils vom Prinzip her gleich. Für die Zündung der zweiten Funkenstrecke 6 ist die Vorioni­ sation durch die Lichtbogenausbildung der ersten Funkenstre­ cke im Bereich der Impedanz-Elektrode 4b/5 von Vorteil, wie vorstehend bereits angedeutet.

Claims (11)

1. Anordnung zur Ableitung von Überspannungen und zur Löschung des Netzfolgestromes mit zwei Funkenstrecken (4, 6) , von denen eine erste Funkenstrecke (4) der Zündung des Über­ schlages dient und hiermit einen Überschlag auch an der anderen, zweiten Funkenstrecke (6) einleitet, bei welcher die erste und die zweite Funkenstrecke (4, 6) zueinander parallel geschaltet sind (1, 2) und die zweite Funkenstrecke (6) eine wesentlich größere Ansprechspannung als die erste Funkenstrecke (4) hat, bei welcher in dem Leitungszweig (1) der ersten Funkenstrecke mit dieser eine Impedanz (5) in Reihe geschaltet ist und bei welcher die vorgenannten Elemente (4, 5, 6) so bemessen sind, daß der bei Zündung der ersten Funkenstrecke (4) an ihr und der damit in Reihe geschalteten Impedanz (5) entstehende Spannungsabfall größer als die Ansprechspannung der zweiten Funkenstrecke (6) ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Funkenstrecke (6) eine größere Stromtragfä­ higkeit als die erste Funkenstrecke (4) besitzt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Elektrodenabstand (6c) der zweiten Funken­ strecke (6) größer ist als der Elektrodenabstand (4c) der ersten Funkenstrecke (4).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenabstand (6c) der zweiten Elektrode (6) etwa 5 bis 10 mal größer ist als der Elektrodenabstand (4c) der ersten Elektrode (4).

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4a, 6a) der ersten und der zweiten Funkenstrecke (4, 6) zu einer gemeinsamen, eingangssei­ tigen (3) Elektrode (4a/6a) vereinigt sind, daß die weitere Elektrode (4b) der ersten Funkenstrecke (4) mit der Impedanz (5) des ersten Leitungsweges zu einer gemeinsamen Impedanz-Elektrode (4b/5) vereinigt sind, daß die weitere Elektrode (6b) der zweiten Funkenstrecke (6) mechanisch/elektrisch mit der Impedanz-Elektrode vereinigt und ausgangsseitig an die Erde (17) anschließ­ bar ist, und daß zwischen der eingangsseitigen Elektrode (4a/6a) und der Impedanz-Elektrode (4b/5) eine Isola­ tionsstrecke (11) vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitige Elektrode (4a/6a), die Impedanz- Elektrode (4b/5) und die weitere Elektrode (6b) der Funkenstrecke (6) jeweils plattenförmig ausgebildet und als eine plattenförmige Schicht auf einem Dielektrikum (9) befestigt sind, das bevorzugt ebenfalls plattenför­ mig ausgebildet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eingangsseitige Elektrode (4a/6a), die Impe­ danz-Elektrode (4b/5) und die weitere Elektrode (6b) der Funkenstrecke (6) jeweils zylindrisch ausgebildet und, mit ihren Stirnflächen sich gegenüberliegend, übereinan­ der angeordnet sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsstrecke (11) aus Luft oder aus einem isolierenden, vorzugsweise Gas abgebendem Werkstoff besteht.

9. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß von der eingangsseitigen Elektrode (4a/6a) und der Elektrode (6b) sich metallische Hörner (15) nach außen erstrecken, deren Abstand sich vorzugsweise nach außen hin erweitert, wobei die Befestigungsstellen der Hörnerelektroden (15) an den Elektroden der Funkenstre­ cken angrenzend an die Isolierstrecke (11) und die Impedanz (5) vorgesehen sind bzw. mit den Elektroden (4a/6a) sowie (6b) als gemeinsames Teil ausgebildet sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die der Erstzündung dienende erste Funkenstrecke (4) als Gleitfunkenstrecke ausgebildet ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekenn­ zeichnet durch eine Verstellung des Abstandes der Elek­ troden (4a, 4b; 6a, 6b) der ersten und/oder der zweiten Funkenstrecke.