DE19522652C1 - Überspannungsschutz für leistungsführende HF-Koaxialleitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsschutz für lei­ stungsführende HF-Koaxialleitungen, mit einer zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter angeordneten, selbstlöschen­ den Funkenstrecke (DE-Hauptkatalog der Firma DEHN Überspannungsschutz, 1994, S. 11, 73).

Ein Überspannungsschutz dient bekanntlich dazu, nachgeord­ nete Geräte sowie deren Benutzer vor Überspannungen zu schützen, die durch atmosphärische Entladungen, in der Nähe der HF-Leitung verlaufende Hochspannungsleitungen oder andere Ursachen hervorgerufen werden und eine beträchtliche Gefahr für die Geräte und deren Benutzer darstellen können. Stand der Technik für diesen Zweck sind offene Funkenstrek­ ken, gasgefüllte Entladungsröhren mit definierter Zündspan­ nung (z. B. jeweils gemäß DE-Hauptkatalog der Firma DEHN: Überspannungsschutz 1994, S. 11, 73) sowie λ/4 Kurzschluß­ leitungen.

Offene Funkenstrecken und gasgefüllte Entladungsröhren, sogenannte Pillen, eignen sich jedoch nur bedingt als Über­ spannungsschutz für HF-Leitungen, über die HF-Nutzleistungen von einigen Watt bis zu einigen 100 Kilowatt übertragen werden, weil dann die Signalspannung Werte erreicht, bei denen die Funkenstrecke bzw. die Gasfüllung der Entladungs­ röhre ionisiert wird. Die Folge davon ist, daß die Zündspannung mehr oder weniger stark sinkt, so daß die bzw. die Gasentladung durch die übertragene HF-Leistung weitergespeist, erlöschen also nicht mehr.

λ/4-Kurzschlußleitungen weisen diesen Nachteil nicht auf und können deshalb auch für leistungsführende HF-Leitungen als Überspannungsschutz verwendet werden, dies jedoch nur, wenn die Nutzfrequenz oberhalb von ca. 300 MHz liegt, weil bei niedrigeren Frequenzen die mechanische Länge der λ/4-Kurz­ schlußleitung unhandlich groß wird und weil dann auch für Überspannungen mit im Verhältnis zu der Resonanzfrequenz der λ/4-Kurzschlußleitung niedriger Frequenz der in diesem Fall induktive Blindwiderstand der Kurzschlußleitung und der dadurch hervorgerufene Spannungsabfall über der Kurzschluß­ leitung zu hohe Werte annehmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Über­ spannungsschutz der einleitend angegebenen Gattung zu schaf­ fen, dessen Betriebsfrequenz im Bereich zwischen etwa 1 bis 500 MHz liegt und der ein verbessertes Betriebsverhalten hat.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke aus einer mit dem Innenleiter ver­ bundenen, ringförmigen Elektrode und einer in der gleichen Radialebene angeordneten, mit dem Außenleiter verbundenen, ringförmigen Elektrode besteht. Bei dieser Lösung kann der den Überspannungsschutz enthaltende Teil der HF-Koaxiallei­ tung in beliebiger Richtung zur Horizontalen verlaufen und erfordert auch keine vorgegebene Orientierung in Umfangs­ richtung, wenn für die ringförmigen Elektroden Querschnitte gewählt werden, die dafür sorgen, daß der Lichtbogen nach dem Zünden in eine Richtung auswandert, in der sich der Ab­ stand der Elektroden und damit die Länge des Lichtbogens stetig vergrößert.

Dies ist insbesondere dann sichergestellt, wenn die ringför­ migen Elektroden einen parabelförmigen Querschnitt haben und die Parabelscheitel sich gegenüberliegen (Anspruch 2).

Eine zweite Lösung der vorgenannten Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke aus einer mit dem Innenleiter verbundenen Elektrode in Form einer Kuppe und einer mit dem Außenleiter verbundenen Elektrode in Form einer Kuppe be­ steht (Anspruch 3). Auch bei dieser zweiten Lösung spricht der Überspannungsschutz unabhängig von dem Verlauf der Längsachse des betreffenden Abschnitts der HF-Koaxialleitung an, da die Kuppenform der sich gegenüberstehenden Elektroden dafür sorgt, daß der Lichtbogen nach dem Zünden jeweils in Richtung sich vergrößernder Elektrodenabstände auswandern kann, bis er abreißt. Der Vorteil dieser zweite Lösung liegt vor allem darin, daß die mit dem Außenleiter verbun­ dene Elektrode als von außen in den Außenleiter einschraub­ barer Stift ausgebildet sein kann, was es auf einfache Weise ermöglicht, den kürzesten Abstand zwischen den Elektroden und damit die Höhe der Zündspannung einzustellen sowie im Bedarfsfall den Zustand der Elektrodenoberflächen durch Ausbau der mit dem Außenleiter verbundenen Elektrode zu kontrollieren.

Fertigungstechnisch besonders einfach ist einer Weiterbil­ dung dieser Ausführungsform, bei der die Scheitel der kup­ penförmigen Elektroden sich in der selben Radialebene gegen­ überliegen (Anspruch 4). Allerdings sollte eine Einbaulage vermieden werden, bei der die kürzeste Verbindungsstrecke zwischen den beiden Elektroden genau in der Vertikalen liegt, damit kein an dieser Stelle stabil brennender Licht­ bogen entsteht.

Dieses Problem wird bei einer Weiterbildung vermieden, bei der die mit dem Außenleiter verbundene, kuppenförmige Elek­ trode gegenüber der mit dem Innenleiter verbundenen kuppen­ förmigen Elektrode derart axial versetzt ist, daß sich der kürzeste Abstand zwischen den Mantelflächen der Elektroden mit zunehmendem radialen Abstand von dem Innenleiter stetig vergrößert (Anspruch 5). Allerdings ist diese Ausführungs­ form weniger geeignet, wenn der betreffende Abschnitt der HF-Koaxialleitung im wesentlichen lotrecht verläuft.

Bevorzugt haben die die Elektroden der Funkenstrecke bil­ denden Kuppen zumindest näherungsweise die Form von Rota­ tionsparaboloiden (Anspruch 6).

Gewünschtenfalls kann die mit dem Außenleiter verbundene Elektrode der Funkenstrecke in Wirkverbindung mit einer durch das Zünden eines Lichtbogens aktivierten, aus der Koaxialleitung herausgeführten Anzeigevorrichtung stehen. (Anspruch 7). Der Begriff Anzeigevorrichtung ist im weite­ sten Sinn zu verstehen und schließt deshalb ein - gegebenen­ falls selbstrückstellendes - Schaltelement zur Fernanzeige einer Überspannungsauslösung ein.

Abhängig von der Querschnittsgeometrie der Koaxialleitung und der Ausführungsform der Funkenstrecke kann es notwendig sein, den Querschnitt des Innenleiters der Koaxialleitung in Höhe der Funkenstrecke zu vermindern, um genügend Raum zur Anbringung der Elektroden zu schaffen (Anspruch 8).

Vor allem wenn die Betriebsfrequenz der Koaxialleitung verhältnismäßig hoch ist, kann die durch die Funkenstrecke verursachte, zusätzliche Kapazität zu einer meßbaren Ver­ schlechterung des Reflexionskoeffizienten führen. Dies kann vermieden werden, wenn die Querschnittsverminderung des In­ nenleiters so bemessen ist, daß der Wellenwiderstand der Leitung am Ort der Funkenstrecke zumindest annähernd kon­ stant bleibt (Anspruch 9).

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Überspan­ nungsschutzes nach der Erfindung schematisch vereinfacht im Längsschnitt dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform.

In allen drei Ausführungsformen ist ein kurzer, beidseits mit koaxialen Verbindungsmitteln hier nicht näher inter­ essierender Konstruktion versehener Koaxialleitungsabschnitt mit einem Innenleiter 1 und einem Außenleiter 2 dargestellt.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 hat der Innenlei­ ter 1 einen Abschnitt verringerten Durchmessers 1a, auf dem eine ringförmige Elektrode 3 mit parabelförmigen Querschnitt sitzt. In der gleichen Radialebene ist der Außenleiter 2 mit einer entsprechenden, ringförmigen Elektrode 4 von ebenfalls parabelförmigem Querschnitt versehen. Beim Auftreten einer unzulässig hohen Überspannung kommt es an irgendeiner Stelle des Umfanges der Elektroden 3, 4 zu einem Überschlag zwi­ schen deren sich gegenüberliegenden Scheiteln. Sofern der Lichtbogen nach dem Abklingen der Überspannung noch weiter­ brennt, weil er von der von der Leitung übertragenen HF-Leistung gespeist wird, wandert er in Richtung sich ver­ größernder Abstände zwischen den Elektroden 3 und 4 aus, bis der Abstand so groß geworden ist, daß der Lichtbogen von selbst erlischt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform hat der Innenleiter 1 eine Abflachung 1b mit einer radialen Bohrung 1c, in die der Gewindeschaft 23a einer Elektrode 23 einge­ dreht ist, die die Form eines Rotationsparaboloids hat. Gegenüber steht eine gleichartige Elektrode 24 am Ende eines in den Außenleiter 2 eingedrehten Gewindeschaftes 24a. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen den Scheiteln der Elektroden 23 und 24 eingestellt und die Elektrode dann durch Anziehen einer Kontermutter 24b festgelegt werden. In dem Gewindeschaft 24a befindet sich eine Anzeigevorrichtung, die durch einen Stift 6a symbolisiert wird, den eine Schrau­ bendruckfeder 6b aus dem Gewindeschaft 24a heraustreten läßt, sobald die durch den Lichtbogen verursachte Erwärmung des Gewindeschaftes 24a einen gewissen Wert überschreitet. Im übrigen entspricht die Funktionsweise dieser zweiten Ausführungsform derjenigen der ersten Ausführungsform.

Am schnellsten erlischt der Lichtbogen bei der zweiten Aus­ führungsform jedoch bei einer Einbauorientierung des Ko­ axialleitungsabschnittes, bei der die gemeinsame Längs­ achse der Elektroden 23 und 24 näherungsweise horizontal verläuft, da die von dem Lichtbogen selbst verursachte Gas­ strömung dann im wesentlichen rechtwinklig zur dem Licht­ bogen gerichtet ist. Sofern die Längsachse des Koaxiallei­ tungsabschnittes im wesentlichen vertikal verläuft, kommt es dagegen auf eine bestimmte umfangsmäßige Orientierung der gemeinsamen Längsachse der Elektroden 23, 24 nicht an.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 entspricht im Prinzip derjenigen nach Fig. 2, jedoch ist die Elektrode 34 axial versetzt gegenüber der Elektrode 33 am Ende eines Gewinde­ schaftes 34a angeordnet, dessen Längsachse mit der Läng­ sachse des Koaxialleitungsabschnittes einen von 90° ver­ schiedenen Winkel (hier etwa 45°) einschließt. Die Mantel­ flächen der Elektroden 33, 34 begrenzen somit einen sich in Richtung vom Innenleiter 1 zum Außenleiter 2 stetig erwei­ ternden Spalt, so daß ein gezündeter Lichtbogen auswandert, sofern der Koaxialleitungsabschnitt mit im wesentlichen waagerechter Längsachse und einer Umfangsorientierung einge­ baut wird, bei der die Elektrode 34 sich wenigstens oberhalb der die Längsachse des Koaxialleitungsabschnittes enthal­ tenden Horizontalebene befindet. Der Innenleiter 1 ist in Höhe der Elektrode 34 mit einer Querschnittsverminderung in Form einer Abflachung 1c versehen, die so ausgelegt ist, daß der Wellenwiderstand der Leitung am Ort der Elektroden 33 und 34 zumindest annähernd konstant bleibt.

Claims (9)

1. Überspannungsschutz für leistungsführende HF-Koaxial­ leitungen, mit einer zwischen dem Innenleiter (1) und dem Außenleiter (2) angeordneten, selbstlöschenden Funkenstrecke (3, 4), dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke aus einer mit dem Innenleiter (1) ver­ bundenen, ringförmigen Elektrode (3) und einer in der gleichen Radialebene angeordneten, mit dem Außenleiter (2) verbundenen, ringförmigen Elektrode (4) besteht.

2. Überspannungsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ringförmigen Elektroden (3, 4) einen Parabelförmigen Querschnitt haben und die Parabelscheitel sich gegenüberliegen.

3. Überspannungsschutz für leistungsführende HF-Koaxial­ leitungen, mit einer zwischen dem Innenleiter (1) und dem Außenleiter (2) angeordneten, selbstlöschenden Funkenstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke aus einer mit dem Innenleiter (1) verbundenen Elektrode in Form einer Kuppe (23; 33) und einer mit dem Außenleiter (2) verbundenen Elektrode in Form ei­ ner Kuppe (24; 34) besteht.

4. Überspannungsschutz nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Scheitel der kuppenförmigen Elektro­ den (23, 24) sich in der selben Radialebene gegenüber­ liegen.

5. Überspannungsschutz nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mit dem Außenleiter (2) verbundene, kuppenförmige Elektrode (34) gegenüber der mit dem In­ nenleiter (1) verbundenen, kuppenförmigen Elektrode (33) derart axial versetzt ist, daß sich der kürzeste Abstand zwischen den Mantelflächen der Elektroden (33, 34) mit zunehmendem radialem Abstand von dem Innenlei­ ter (1) stetig vergrößert.

6. Überspannungsschutz nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektroden der Funkenstrecke bildenden Kuppen (23, 33, 24, 34) zumin­ dest näherungsweise die Form von Rotationsparaboloiden haben.

7. Überspannungsschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Außenleiter (2) verbundene Elektrode der Funkenstrecke in Wirkver­ bindung mit einer durch das Zünden eines Lichtbogens aktivierten, aus der Koaxialleitung herausgeführten Anzeigevorrichtung (6a, 6b) steht.

8. Überspannungsschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (1) der Koaxialleitung in Höhe der Funkenstrecke einen vermin­ derten Querschnitt (1a, 1b, 1c) hat.

9. Überspannungsschutz nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querschnittsverminderung (1a, 1b, 1c) des Innenleiters (1) so bemessen ist, daß der Wel­ lenwiderstand der Leitung am Ort der Funkenstrecke Zumindest annähernd konstant bleibt.