DE19604947C1 - Verfahren zur Beeinflussung des Folgestromlöschvermögens von Funkenstreckenanordnungen und Funkenstreckenanordnungen hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Funken­ streckenanordnungen. Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Beeinflussung des Folgestromlöschvermögens von Funkenstreckenanordnungen mit zwei Elektroden, die innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind, wobei gegebenenfalls inner­ halb des Gehäuses ein Löschgas vorgesehen sein kann (DE-PS 29 34 236). Weiterhin betrifft die Erfindung Funkenstreckenanordnungen zur Durchführung des Verfahrens.

Funkenstreckenanordnungen stellen unter anderem aufgrund ihres großen Energieableitvermögens ein bevorzugtes Bauteil für den Überspannungsschutz dar. Speziell bei Funkenstre­ ckenanordnungen, die im Niederspannungsversorgungssystem installiert sind, kann es bei der Ableitung einer Überspan­ nung zu einem Netzfolgestrom kommen. Aus diesem Grund ergibt sich für derartige Geräte die Forderung nach dem Folgestrom­ löschvermögen.

Das Folgestromlöschvermögen von Funkenstreckenanordnungen ist im wesentlichen direkt proportional der Lichtbogenspan­ nung. Damit ist man bestrebt, eine möglichst hohe Licht­ bogenspannung zu erzielen. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es mehrere Möglichkeiten, welche sich aus der nachfolgenden Gleichung (1) ableiten:

UB = (UA + UK) + 1 · E (1)

mit

UB = Bogenspannung
UA + UK = Anodenfall-/Katodenfallspannung
l = Bogenlänge
E = Bogenfeldstärke.

Die Werte für UA + UK sind Grundgrößen der Plasmatechnik und kaum zu beeinflussen. Eine erste prinzipielle Möglichkeit ist die Beeinflussung der Bogenlänge 1. Dies wird in der Regel durch eine Aufweitung des Bogens erreicht. Nachteilig ist, daß die geometrischen Abmessungen der Elektroden ent­ sprechend groß werden und damit diese Beeinflussung an bestimmte Geometrievorgaben gebunden ist. Die zweite prinzi­ pielle Möglichkeit ist, die Bogenfeldstärke E und damit das Folgestromlöschvermögen über die direkte Kühlwirkung zu beeinflussen. Dies wird bei bekannten Geräten üblicherweise durch die Kühlung des Lichtbogens herbeigeführt. Die Kühlung wird in der Regel durch die Kühlwirkung der Isolierstoffwän­ de sowie die Verwendung gasabgebender Isolierstoffe er­ reicht. Weiterhin ist eine starke Strömung des Löschgases notwendig, was wiederum einen hohen konstruktiven Aufwand erfordert. Die heißen, ionisierten Gase des Lichtbogens werden durch Ausblasöffnungen im Funkenstreckengehäuse nach außen in die Umgebung abgeführt. Dies bedingt, daß am Ein­ bauort der Funkenstrecke bestimmte Abstände zu anderen spannungsführenden (z. B. in der Elektroverteilung) sowie brennbaren Teilen einzuhalten sind, was den Einsatz nur unter bestimmten Vorgaben ermöglicht. Für die Realisierung dieser beiden prinzipiellen Möglichkeiten sind eine Vielzahl unterschiedlich ausgestalteter Funkenstreckenanordnungen bekannt.

Aus der DE-OS 20 07 293 ist eine wiederzündende Funkenstre­ cke für Überspannungsableiter mit einer Funkenlöschspule und mit zwei auf einer isolierenden Unterlage angeordneten Elektroden bekannt. Die Funkenstrecke ist in bekannter Weise auf einer kreisförmigen Platte aus keramischem Material montiert. Die Platte hat einen vertieften Teil, der eine Löschkammer bildet. Die Funkenstrecke besteht aus zwei Elektroden, von denen jede aus einem Befestigungsteil und einem Funkenstreckenteil besteht. Die Funkenstreckenteile divergieren von der Zündstelle ab. Ihre einander gegenüber­ liegenden Flächen bilden Auslaufwege für die Fußpunkte des zwischen den Elektroden auftretenden Lichtbogens. Die von­ einander abgewandten Flächen der Funkenstreckenteile bilden Rücklaufwege für die Fußpunkte des Lichtbogens, wenn der Lichtbogen unter Einwirkung der Funkenlöschspule so weit verlängert worden ist, daß seine Fußpunkte die Spitzen der Elektroden passiert haben. Zwischen dem Rücklaufweg und dem Auslaufweg jeder Elektrode liegt jeweils ein Kanal, der einen Durchströmkanal für das ionisierte Gas des Lichtbogens bildet. Diese Kanäle können als Rinnen in der Platte ausge­ führt sein und werden dabei auf einer Seite von dem Funken­ streckenteil überdeckt. Nach einer anderen Ausführungsform kann der Kanal aus einer Bohrung in jeder Elektrode beste­ hen, so daß der Kanal ganz in dem Elektrodenmaterial liegt. Der Kanal mündet in der oder in unmittelbarer Nähe der Zündstelle, wo der Lichtbogen gezündet wird, wenn ein Über­ schlag eintritt.

Diese Funkenstrecke arbeitet auf folgende Weise:
Wenn die Spannung über die Zündspannung der Funkenstrecke steigt, erfolgt ein Überschlag zwischen den Elektroden an der Zündstelle. Unter Einwirkung des magnetischen Feldes der Löschspule, der senkrecht zu der Plattenebene wirkt, wird der Lichtbogen nach oben bewegt und nimmt an Länge zu. Wenn der Strom ausreichend lange anhält, verschieben sich die Fußpunkte des Lichtbogens aufwärts, passieren die Enden der Funkenstreckenteile und gehen weiter auf den Rücklaufwegen. Die ganze Zeit preßt der Lichtbogen ionisiertes, heißes Gas vor sich her. Wenn die Fußpunkte des Lichtbogens in die Nähe der Kanäle kommen, strömt Gas in die Kanäle und zu den Kanalmündungen auf den Auslaufwegen. In dieser Lage hat die Länge des Lichtbogens und damit auch der Lichtbogenspan­ nungsabfall zugenommen. Wenn das heiße und ionisierte Gas zu der Zündstelle gelangt, sinkt die Spannungsfestigkeit dort auf einen Wert, der niedriger ist als der Lichtbogenspan­ nungsabfall. Die Folge davon ist, daß die Funkenstrecke neu zündet, der Strom geht dann durch den neu gezündeten Licht­ bogen, wobei der primäre, ausgedehnte Lichtbogen erlischt und der zweite auf dieselbe Art zunimmt wie der zuerst gezündete Lichtbogen. Dieser Verlauf wiederholt sich, bis der Strom auf einen so niedrigen Wert gesunken ist, daß der Gasstrom durch den Kanal nicht mehr groß genug ist, um eine Neuzündung zu verursachen, der Bogen erlischt und der Strom wird definitiv unterbrochen.

Aus obigen Ausführungen geht hervor, daß die Funktion der Funkenstrecke von dem durchgehenden Strom gesteuert wird. Bei hohem Strom wird ein kräftiger Gasstrom von dem Lichtbo­ gen durch den Gaskanal zur Zündstelle getrieben, und die Strecke wird schnell neu gezündet. Bei niedrigeren Strömen wird der Gasstrom schwächer und schließlich zu schwach, um eine Neuzündung zu verursachen, so daß der Lichtbogen erlö­ schen und den restlichen Strom unterbrechen kann. Nachteilig ist beim Gegenstand von DE-OS 20 07 293, daß man durch den Öffnungswinkel der beiden divergierenden, hörnerartigen Funkenstreckenteile einen relativ großen Raum benötigt und daß ferner die Stromzuführung zu den beiden Elektroden von den seitlich der Elektroden gelegenen Außenbereichen her kommt. Dies kann zu relativ hohen Stromkräften führen, die bewältigt werden müssen.

Schließlich ist aus der DE-PS 29 34 236 ein Überspannungsab­ leiter mit Funkenstrecke bekannt, deren Elektroden mittels eines Isolierstückes auf Abstand gehalten werden und welche eine den Bereich der Bogenentladung umschließende Kammer mit Wänden aus Isolierstoff aufweist, der unter Wärmeeinwirkung Löschgas abgibt. Bei diesem Überspannungsableiter wird die beim Überschlag entstehende Energie dazu benutzt, Löschgas aus dem aus entsprechendem Isolierstoff bestehenden Isolier­ stück derart zu erzeugen, daß der Lichtbogen vom Spalt weggedrückt wird und die ionisierten Gase nach außen gebla­ sen werden, so daß nach Überspannungsende keine weitere Zündung durch die Netzspannung erfolgen kann. Nachteilig ist hierbei ein relativ hoher konstruktiver Aufwand für die Schaffung der Gasführung und der Umstand, daß die heißen Gase ausgeblasen werden.

Bei dem erläuterten Stand der Technik wird zur Beeinflussung des Folgestromlöschvermögens vom Prinzip der Lichtbogenküh­ lung durch eine Bewegung der Gase oder eine Verlängerung des Lichtbogens Gebrauch gemacht. Dies bedingt jedoch eine aufwendige konstruktive Gestaltung, beispielsweise für entsprechende Kanäle oder Strömungswege und erfordert zudem ein hohes Volumen für die Funkenstreckenanordnung. Damit ist nachteiligerweise ein Ausblasen verbunden.

Der Erfindung liegt demgegenüber zunächst die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 derart auszugestalten, daß eine Steigerung des Folgestrom­ löschvermögens bei keiner, zumindest aber nur bei einer geringen Volumenerhöhung der Funkenstreckenanordnung er­ reicht wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungs­ gemäß zunächst durch eine Abstimmung der Größe des zu lö­ schenden Folgestromes auf das Volumen des Innenraumes des Gehäuses derart gelöst, daß eine kurzzeitige Erhöhung des Innendruckes des Gehäuses auf ein Vielfaches des atmosphä­ rischen Druckes bewirkt wird, wobei die Druckerhöhung in dem die Elektroden aufweisenden Innenraum durch den Lichtbogen des Folgestromes selbst produziert wird.

Beim erfindungsge­ mäßen Verfahren wird die Steigerung des Folgestromlöschver­ mögens also nicht, wie bereits bekannt und üblich, durch eine verbesserte Kühlung des Lichtbogens erreicht, sondern durch eine druckabhängige Beeinflussung der Bogenfeldstärke. Durch die damit einhergehende Erhöhung der Bogenspannung verbessern sich auf überraschend einfache Art und Weise die Löschbedingungen. Dies ist auf die Anwendung des Effektes zurückzuführen, daß die Feldstärke E direkt dem Druck des Löschgases proportional ist. Somit lassen sich hohe Bogen­ spannungen bei sehr kleinen Abmessungen des Gehäuses er­ reichen. Es gehört mit zur Erkenntnis der Erfindung, daß der hohe Druck im Inneren der Funkenstrecke durch den Lichtbogen des Folgestromes selbst produziert wird. An sich erzeugen sowohl Stoßstrom als auch Folgestrom Hitze und bewirken einen Druckanstieg; genutzt wird jedoch die Erhitzung durch den Folgestrom. Damit ist der Druckanstieg und somit auch das Löschvermögen in direkter Weise an den zu unterbrechen­ den Folgestrom gekoppelt. Es entsteht ein stromabhängiges Schaltvermögen. Auch die Strombegrenzung ist mit eingebun­ den. Entscheidend für die Größe des Folgestromes ist die Spannungsdifferenz zwischen Netzspannung einerseits und Bogenspannung andererseits. Da hier beide Spannungen in ihrer Wirkung einander entgegengesetzt gerichtet sind, hat dies für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens den Vorteil, daß immer nur soviel Druckerhöhung produziert wird, wie zur Unterbrechung des momentan fließenden Stromes not­ wendig ist. Man nennt eine solche Eigenschaft "weiches Schalten".

Im Gegensatz dazu wird beim "harten Schalten" gemäß dem oben gewürdigten Stand der Technik aufgrund der fehlenden Strom­ abhängigkeit des Löschvermögens der Strom immer mit der vollen Leistungsfähigkeit unterbrochen. Dies kann, speziell bei kleinen induktivem oder kapazitivem Strom, zum sogenann­ ten "Stromabriß" führen. Dieser Stromabriß stellt eine Belastung der nachgeschalteten zu schützenden Anlagen oder Geräte dar und wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ver­ mieden.

Für das optimale Volumen der Lichtbogenkammer, d. h. hier des o.g. Innenraumes des Gehäuses sind einige Randbedingungen zu beachten. Ist das Kammervolumen zu klein, kommt es beim Ableit- bzw. Folgestromlöschvorgang zu einer mechanischen und/oder thermischen Überlastung des Gehäuses. Ist das Volumen zu groß, ist der erreichte Druckanstieg und damit Anwachsen der Bogenspannung zu gering. Diesen Randbedingun­ gen wird die mit dem Verfahren nach der Erfindung vorgese­ hene Druckerhöhung gerecht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 2 erfolgt die kurzzeitige Erhöhung des Innendruckes des Gehäuses auf 10-60 bar. Damit läßt sich das Folge­ stromlöschvermögen etwa vervierfachen, wobei der o.g. Vor­ teil eines sehr geringen Volumens des Innenraumes des Gehäu­ ses mit gegeben ist. Eine Steigerung des Folgestromlöschver­ mögens über die bisher gebräuchlichen Verfahren würde zwar auch eine Vervierfachung der Bogenlänge erreichen, jedoch nur bei einer entsprechenden Vervierfachung der erforderli­ chen Größe des Innenraumes des Gehäuses.

Im Innern des Gehäuses kann entweder der vorgenannte atmos­ phärische Druck vorliegen oder ein davon abweichender, bevorzugt gegenüber dem atmosphärischen Druck höherer Innen­ druck gegeben sein. Dabei ist insbesondere an ein Löschgas gedacht. Falls der Innendruck im Gehäuse vom atmosphärischen Druck abweicht, muß für eine hermetische Abdichtung des Gehäuses gesorgt werden.

Es kann gemäß den Ausführungsformen des Verfahrens nach den Ansprüchen 3 und 4 der im Gehäuse durch den Lichtbogen des Kurzschlußstromes und den Lichtbogen des Folgestromes ent­ stehende Überdruck langsam abgebaut werden, wobei der Abbau des Überdrucks vorzugsweise innerhalb 3 bis 5 Stunden er­ folgt. Da jeder Stoßstrom einen Folgestrom zur Folge hat und der Folgestrom aufgrund seiner Wärmeentwicklung eine Erhö­ hung des Innendruckes in der Funkenstreckenanordnung be­ wirkt, wird durch die vorgenannten Verfahrensmaßnahmen - sofern erforderlich - zuverlässig vermieden, daß diese Überdrücke sich addieren und die Funkenstreckenanordnung zerstören. Vielmehr wird durch die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 ein langsamer, kontinuierlicher Ausgleich des Innen­ druckes des Gehäuses an die Außenatmosphäre erfolgen. Ein­ zelheiten des Ablaufes ergeben sich dabei lediglich durch die für den Druckabbau benötigte Zeitdauer. Bei der zuletzt genannten Verfahrensweise wird ebenfalls ein möglichst hohes Löschvermögen erzielt. Auch hier wird der benötigte Über­ druck durch den zu löschenden Folgestrom selber produziert. Diese druckabhängige Erhöhung der Bogenspannung führt zu einer Strombeeinflussung, d. h. zu einer Reduzierung des netzfrequenten Folgestromes über die Funkenstrecke, so daß deren thermische Belastung sinkt. Der Abbau des Überdruckes kann mit einem quasi-druckdichten Gehäuse durchgeführt werden. Hierzu wird auf Anspruch 9 und dessen Erläuterung verwiesen.

Sowohl bei Verwendung eines hermetisch abgedichteten, als auch bei Verwendung eines quasi-druckdichten Gehäuses ent­ fällt der beim Stand der Technik gegebene Nachteil des Ausblasens der vom Lichtbogen erzeugten heißen Gase. Somit besteht in keinem dieser Fälle die Gefahr einer Gefährdung von Personen und/oder einer Beschädigung von benachbarten Bauteilen.

Im Normalbetrieb herrscht im jeweiligen Gehäuse der Ruhe­ druck des Füllgases. Der Ruhedruck kann dem atmosphärischen Druck entsprechen. Das Füllgas kann Luft, aber auch ein spezielles Löschgas (z. B. SF6) sein.

Generell ist zum erfindungsgemäßen Verfahren darauf hinzu­ weisen, daß ein wichtiger, synergistischer Effekt darin liegt, daß eine Verringerung des Volumens des Innenraumes des Gehäuses bei einer angenommenen Größe des Folgestromes eine entsprechende und für die Löschung vorteilhafte Erhö­ hung des Innendruckes im Gehäuse zur Folge hat und man nicht unbedingt genötigt ist, zur Erhöhung der Bogenspannung die Länge des Folgestromlichtbogens zu verlängern, wie es bei­ spielsweise beim Gegenstand von DE-AS 20 07 293 vorgesehen worden ist. Eine Verlängerung der Länge des Folgestromlicht­ bogens hätte nämlich in der Regel eine Vergrößerung des Volumens des o.g., die Elektroden beinhaltenden Gehäusein­ nenraumes zur Folge, wodurch nachteiligerweise bei einer angenommenen Stärke des Lichtbogens des Folgestromes der im o.g. Innenraum gebildete Druck verringert würde.

Sollte der zu löschende Folgestrom relativ hoch sein, so versteht es sich, daß dann das Volumen des Innenraumes des Gehäuses entsprechend größer gewählt werden muß. Auf jeden Fall wird das eingangs erläuterte Ziel der Erfindung mit einem relativ kleinvolumigen Gehäuse erreicht, indem eine möglichst hohe Bogenspannung erzeugt wird, welche der Netz­ spannung entgegenwirkt und damit den Folgestrom auf einen so geringen Wert reduziert, daß er schnell gelöscht wird.

Die Erfindung befaßt sich ferner mit der Ausgestaltung einer Funkenstreckenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6. Hierzu ist beispielsweise aus dem DE 73 15 846 U1 eine geschlossene Trennfunkenstrecke in explosionsgeschützter Ausführung bekannt, bei der verhindert werden soll, daß der überspringende Funken Kontakt zur Außenatmosphäre hat. Hierzu weist die Funkenstrecke ein aus Metall bestehendes topfartiges Gehäuse auf, das zugleich die elektrische Ver­ bindung der Klemme zu einer ersten Elektrodenscheibe her­ stellt. Eine zweite Elektrodenscheibe ist von der ersten Elektrodenscheibe durch eine Glimmerschicht elektrisch isoliert und im gewünschten Abstand gehalten. Bei dieser Elektrodenausbildung erfolgt der Überschlag zwischen der Außenseite der zweiten Elektrode und einer außen gelegenen Gegenfläche der ersten Elektrode. Das gesamte Innere des Topfes einschließlich der Elektroden und des Druckkörpers ist durch eine Isolierschicht nach außen abgedichtet, die sich etwa im Bereich des offenen Bodens befindet. Sie be­ steht bevorzugt aus gegossenem Kunststoff, z. B. einem Gieß­ harz. Ein Löschgas ist nicht vorhanden. Ferner tritt bei einer solchen Trennfunkenstrecke auch kein Folgestrom und damit nicht das Problem des Löschens eines Folgestromes auf.

Demgegenüber liegt der Erfindung die weitere Aufgabe zugrun­ de, eine Funkenstreckenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 6 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, derart auszugestalten, daß sie als Lösch­ funkenstrecke einsetzbar ist und bei einem Überschlag und Entstehen eines Folgestromes eine möglichst optimale Folge­ stromlöschfähigkeit aufweist.

Gemäß Patentanspruch 6 ist hierzu eine Funkenstreckenanord­ nung mit zwei Elektroden vorgesehen, die entsprechend DE 73 15 846 U1 im Innenraum eines geschlossenen Gehäuses angeord­ net sind. Dabei ist diese Funkenstreckenanordnung dadurch gekennzeichnet, daß der die Elektroden beinhaltende Innen­ raum von einer druckfesten Gehäuseanordnung umgeben ist, wobei das Volumen des Innenraumes derart bemessen und auf die Höhe des zu erwartenden Folgestromes abgestimmt ist, daß durch den Lichtbogen des Folgestromes eine Druckerhöhung eines im Innenraumes vorgesehenen Gases auf ein Vielfaches des atmosphärischen Druckes erreicht wird. Dieses Gas kann Luft oder auch ein Löschgas sein. Neben dem Einsatz bei dem bereits beschriebenen Verfahren der Erfindung kann die erfindungsgemäße Funkenstreckenanordnung auch als Modul in ein- und mehrpoligen Gehäusevarianten für den Innen- und Außenbereich angewendet werden, einschließlich bei explo­ sionsgeschützten Funkenstreckenanordnungen.

Das Maß der Druckerhöhung kann nicht nur vom Volumen des Elektrodenraumes und der Stärke des Lichtbogens des Folge­ stromes, sondern auch von der geometrischen Gestaltung des Innenraumes, insbesondere der Elektroden abhängen. Als eine bei gebräuchlichen Elektrodenformen im Sinne der Erfindung wirkungsvolle Druckerhöhung ist gemäß Anspruch 7 eine Druck­ erhöhung des Innendruckes auf 10-60 bar von Vorteil.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik ist also eine stoßstromtragfähige, folgestromlöschfähige, geschlossene Funkenstrecke geschaffen, bei der unter Ausnutzung der Druckentwicklung im Inneren eines abgekapselten Gehäuses das Folgestromlöschvermögen gegenüber bekannten Funkenstrecken verbessert.

Gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 8 wird ein herme­ tisch abgedichtetes Gehäuse benutzt, dessen Ruhedruck auf den atmosphärischen Normaldruck oder einem davon abwei­ chenden Wert einstellbar ist. Durch die Wahl dieses Ruhe­ druckes läßt sich die Ansprechspannung der Funkenstrecke über einen weiten Bereich ohne konstruktive Änderungen beeinflussen.

Die Merkmale des Anspruches 8 befassen sich mit einer Variante der Erfindung, bei der ein quasi-druckdichtes Gehäuse vorgesehen ist.

Durch die Maßnahmen des Anspruches 10 ist eine mechanisch feste Gehäuseanordnung geschaffen. Der druckfeste Zusammen­ halt von Deckelelementen und Kunststoffelement kann durch Verklebung, Verschraubung oder ähnlicher Verbindungstechni­ ken erzielt werden.

Gemäß den Ansprüchen 12 und 13 ist die Gehäuseanordnung von einem äußeren Druckkörper umschlossen. Dieser Druckkörper weist die Vorteile auf, daß eine kostengünstige Herstellung ermöglicht wird und daß keine mechanischen Anforderungen an das Kunststoffelement gestellt werden. Es wird hierdurch ein zusätzlicher mechanischer Halt der Gehäuseanordnung geschaf­ fen und schließlich eine mechanische Entlastung der Deckel­ elemente durch deren Abstützung auf dem Rand des Druckkör­ pers und dessen Innenwand erreicht. Mittels einer aus Durch­ messerunterschieden (siehe Anspruch 14) resultierenden Überdeckung kann auch eine Art Überdruckventil für die Funkenstreckenanordnung realisiert werden, wobei die Deckel­ elemente, die vorzugsweise aus Kunststoff bestehen, an den Umbördelungen abscheren und der jeweilige Elektrodenfuß zur Anlage an die Umbördelung kommt. Durch die dabei auftreten­ den Spalte wird der Überdruck in die Atmosphäre abgebaut.

Die Merkmale des Anspruches 15 haben den Vorteil der Schaf­ fung einer thermischen Isolierung, wobei auf einfache Art und Weise eine Trennung der mechanischen und thermischen Anforderungen erreicht ist.

Zur Einstellung der Ansprechspannung der Funkenstrecke werden gemäß Anspruch 17 die beiden Elektroden durch ein Isolierstück auf einen Abstand gehalten. Eine Erhöhung des Abstandes führt zu einer Erhöhung der Ansprechspannung. Die Elektroden sind sich an ihrem Fußpunkt, an dem der Lichtbo­ gen entsteht, am nächsten und haben hiervon ausgehend einen voneinander divergierenden Verlauf, bei dem sich bis zu den freien Enden der Elektroden hin deren Abstand voneinander vergrößert. Auf diesen divergierenden Elektroden wandert der Lichtbogen nach außen zu deren Enden hin. Er wird dabei verlängert und seine Bogenspannung wird damit erhöht. Es ist somit zur Beeinflussung des Folgestromlöschvermögens mög­ lich, die Elektroden so zu gestalten, daß die Zündung des Lichtbogens als Gleitentladung an den einander am nächsten liegenden Bereichen der Elektrodenkegel eingeleitet wird.

Eine Möglichkeit zur Druckentlastung des Innenraumes (siehe hierzu die Verfahrensansprüche 3 und 4) besteht gemäß An­ spruch 22 darin, daß zum Angleichen des Innendruckes der Gehäuseanordnung an den atmosphärischen Normaldruck Be- und Entlüftungskanäle vorgesehen sind. Durch entsprechende Dimensionierung dieser Kanäle kann der Abbau des Überdrucks über verschiedene Zeiten eingestellt werden.

Zur Verbesserung des Löschverhaltens können schließlich gemäß Anspruch 23 das innere Kunststoffelement und/oder das Isolierstück aus einem gasabgebenden Werkstoff bestehen.

Hinsichtlich des Einsatzes einer Funkenstreckenanordnung nach der Erfindung in Form eines Moduls in weiteren Außenge­ häusen wird auf die Ansprüche 24 bis 28 verwiesen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind den weite­ ren Unteransprüchen zu entnehmen, sowie im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen der erfin­ dungsgemäßen Funkenstreckenanordnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Funkenstreckenanordnung im Längs­ schnitt,

Fig. 2, 2a eine Ansicht eines NH-Sicherungsgehäuses mit eingebauter Funkenstreckenanordnung im geschlossenen und geöffneten Zustand,

Fig. 3, 3a eine Ansicht eines Außengehäuses mit drei eingebauten Funkenstreckenanordnungen im geschlossenen und geöffneten Zustand und

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Funkenstreckenanordnung im Längsschnitt.

Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Funkenstre­ ckenanordnung ist in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt und zeigt eine hermetisch abgedichtete Funkenstreckenanordnung. Im Innenraum 1 sind zwei Elektroden 2a und 2b angeordnet, welche durch ein Isolierstück 3 auf einem notwendigen Ab­ stand a gehalten werden. Auch dieser Abstand bestimmt die Ansprechspannung der Funkenstrecke. Der Abstand a kann durch im einzelnen nicht dargestellte Mittel verändert werden, um somit unterschiedliche Ansprechspannungen einstellen zu können, wobei eine Erhöhung des Abstandes a zu einer Erhö­ hung der Ansprechspannung und dies zu einer höheren Bogen­ spannung führt. Das Isolierstück 3 kann vorteilhaft aus einem gasabgebenden Kunststoff (z. B. POM) bestehen und derart gestaltet sein, daß die Zündung des Lichtbogens als Gleitentladung an den einander zugewandten Enden der Elek­ trodenkegel 2a und 2b eingeleitet wird. Dadurch wird der Lichtbogen veranlaßt, sich entsprechend dem durch die Kegel­ form der Elektroden 2a und 2b bedingten Öffnungswinkel aufzuweiten und damit günstigere thermische sowie Lösch­ eigenschaften herzustellen.

Die vorstehend erläuterte und sowohl im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 als auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 darge­ stellte und verwendete Ausführung der Elektroden stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar. Innerhalb des kleinen Spaltes a springt der Lichtbogen über und wird dann entlang der sich von diesem Spalt a her erstreckenden Elektrodenflächen 20 radial nach außen geführt. Da diese Elektrodenflächen 20 miteinander einen sich nach außen erweiternden Konus bilden, hat dies eine entsprechende Verlängerung des Lichtbogens und damit eine Erhöhung der Bogenspannung zur Folge. Bei der Ausgestaltung der Funken­ streckenanordnung gemäß Fig. 1 und auch gemäß Fig. 4 und bei den hier gegebenen Abmessungen von etwa einem Drittel der Größe der Darstellung auf den beiliegenden DIN A4 Blättern empfiehlt sich eine Erhöhung des Innendruckes auf etwa 30-50 bar.

Es liegt aber im Bereich der Erfindung, die Formgebung dieser Elektrodenflächen und auch der Elektroden als solchen und ihrer Halterung anders zu gestalten als in den Fig. 1, 4 dargestellt. So könnte man beispielsweise die Elektrodenflä­ chen 20 vom Isolierstück 3 her bis zum äußeren Umfang der Elektroden 2a, 2b im Abstand a radial nach außen hin verlau­ fen lassen, dessen innere Stirnfläche am Isolierstück an­ grenzen kann.

Der die Elektroden aufweisende Innenraum 1 ist umgeben von einer druckfesten Gehäuseanordnung 5. Diese Gehäuseanordnung 5 wird druckfest begrenzt durch zwei Deckelelemente 4a und 4b an den Stirnflächen der Anordnung. Die gesamte Anordnung wird geführt und zu den Seitenflächen abgeschlossen durch ein inneres Kunststoffelement 5a. Diese Teile 4a, 4b und 5a isolieren die Funkenstrecke von einem in diesem Ausführungs­ beispiel vorgesehenen äußeren Druckkörper 6, der diese Teile 4a, 4b und 5a so umschließt, daß ein druckfester Zusammen­ halt hergestellt ist.

Bevorzugt besteht der äußere Druckkörper 6 aus einem metal­ lischen Rohrstück, das durch Umbördeln seiner beiden, an den Deckein 4a, 4b anliegenden Enden kostengünstig gefertigt werden kann. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das innere Kunststoffelement 5a aus einem gasabgebenden Werkstoff (z. B. POM) bestehen.

An die Deckelelemente 4a und 4b, die aus einem elektrisch nichtleitfähigem Stoff bestehen, werden hohe mechanische und thermische Anforderungen gestellt. Sie müssen den sehr großen Kräften standhalten, die beim Stoßstromableitvorgang und bei der Folgestromlöschung durch den Druck in dem Innen­ raum 1 bzw. Gehäuseanordnung 5 erzeugt werden. Dies gilt insbesondere für die nachstehend noch näher zu erläuternde Ausführungsform gemäß Fig. 4. Da aber thermisch hochbelast­ bare Kunststoffe in der Regel sehr spröde und damit für den Anwendungsfall für die Deckelelemente 4a und 4b nicht geeignet sind, wird erfindungsgemäß eine Funktionstrennung durchgeführt. Die thermische Isolierung der heißen Elektro­ den 2a und 2b zwischen den Deckelelementen 4a, 4b übernimmt eine thermische Trennscheibe 7. Mit dieser Maßnahme entfal­ len extreme thermische Anforderungen an die Deckelelemente 4a und 4b. Eine mechanische Entlastung der Deckelelemente 4a und 4b kann erreicht werden durch deren Abstützung auf die o.g. Ränder des Druckkörpers 6. Durch die spezielle Gestal­ tung eines Elektrodenfußes 8, dessen Durchmesser d1 größer ist als lichte Weite d2 des Druckkörpers 6, wird eine Ent­ lastung der Deckelelemente 4a, 4b erreicht und die Kraftwir­ kung gleichmäßig verteilt. Für die mechanische Stabilität der Gesamtanordnung ist die Überdeckung × von großer Bedeu­ tung (siehe Fig. 2), wobei

ist.

Falls für eine langfristige (über Minuten/Stunden) erfolgen­ de Angleichung des stationären Innendruckes in der Gehäuse­ anordnung 5 an die Umgebungsbedingungen gesorgt werden soll, können entsprechende Be- und Entlüftungskanäle 9 vorgesehen werden, die der o.g. Angleichung angepaßte entsprechend kleine Durchtrittsquerschnitte aufweisen.

Aufgrund der Tatsache, daß es sich bei diesem Modul um eine in sich geschlossene, nicht ausblasende Funkenstrecke han­ delt und dadurch keine Kraftwirkung auf ein weiteres Außen­ gehäuse (z. B. NH-Sicherungsgehäuse, Fig. 2) ausgeübt wird, ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten auch in weniger stabilen Außengehäusen. Das erfindungsgemäße Funken­ streckenmodul kann als Standardbaugruppe in verschiedene Gehäusevarianten integriert werden, wie dies nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 näher beschrieben und erläutert wird. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß mit der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik die Funken­ streckenanordnung relativ klein sein kann. Beispielsweise ist die Darstellung von Funkenstreckenanordnungen in den Fig. 1 und 4 etwa im Maßstab 3 : 1 gezeichnet, d. h. in der praktischen Ausführung sind diese Funkenstrecken entspre­ chend kleiner als sie hier auf einem DIN A4 Blatt gezeichnet sind.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Stromzuführung über die axial in Richtung der Längsmittelachse 19-19 ver­ laufenden Anschlußstäbe 2′ der Elektroden 2a, 2b. Hierdurch werden schädliche Stromkräfte vermieden.

Es sei nur der Vollständigkeit halber erwähnt, daß die Gehäuseanordnungen 5 der Erfindung so druckfest sein müssen, daß sie auch den nur sehr kurzzeitig auftretenden Innendruck aufgrund des relativ hohen Stoßstromes aushalten können; während demgegenüber der Innendruck aufgrund des erläuterten Folgestromes wesentlich geringer ist. Die nachfolgend erläu­ terten weiteren Außengehäuse 11, 13 müssen demgegenüber keinen Innendruck aushalten, da dies von der Funkenstrecken­ anordnung übernommen wird.

Es ist nicht auszuschließen, daß durch eine unzulässige Erhöhung des Druckes im Innenraum 1 die Gefahr einer Explo­ sion der gesamten Gehäuseanordnung besteht mit der Folge, daß die metallischen Teile des Druckkörpers 6 nach außen geschleudert werden. Um dies in Art der Funktion eines Überdruckventiles zu verhindern, wird durch eine hierauf abgestimmte mechanische Auslegung der Deckelelemente 4a und 4b eine gezielte Überdruckentlastung und damit die Vermei­ dung der vorstehend geschilderten Gefahr erreicht werden. Dazu wird bei einer unzulässigen Erhöhung des Innendruckes mittels der Füße 8 der Elektroden 2a und 2b ein Abscheren der innen gelegenen Teile der Kunststoffdeckel 4a und 4b etwa entlang der gewellt eingezeichneten Linien 18 erreicht. Nach dem Abscheren dieser Teile kommen die Isolierscheiben 7 zur Anlage an die Umbördelungen 6′ des Druckkörpers 6 und verhindern ein Herausdrücken der Elektroden 2a und 2b. Mit dem Abscheren der o.g. Teile entlang der Linien 18 ist soviel an Durchtrittsöffnungen zwischen dem Innenraum 1 und der Außenluft geschaffen, daß der im Innenraum entstandene Überdruck sich sehr schnell abbaut.

In Fig. 2, 2a ist die erfindungsgemäße Funkenstreckenanord­ nung 10 in ein NH-Sicherungsgehäuse 11 eingebaut, welches im geschlossenen (Fig. 2) und geöffneten (Fig. 2a) Zustand dargestellt ist. Das Sicherungsgehäuse 11 besteht dabei aus zwei Halbschalen 11a und 11b und weist Auszugslaschen 12 auf. Die elektrische Kontaktierung von stromführendem Leiter bzw. Erde erfolgt durch standardisierte NH-Kontaktmesser, welche mit 2a und 2b bezeichnet sind.

In Fig. 3, 3a ist die mehrpolige Variante einer Anordnung von Funkenstreckenanordnungen 10 in einem speziellen Außen­ gehäuse 13 dargestellt. Da bei den erfindungsgemäßen Funken­ streckenanordnungen das beim Stand der Technik erforderliche Ausblasen entfällt, kann man die hermetisch abgedichteten Funkenstrecken (Fig. 1) oder druckdichten Funkenstrecken (Fig. 4) enger anordnen und ein diese umschließendes Außen­ gehäuse weniger stabil ausgestalten. Wie Fig. 3 zeigt, werden beispielsweise drei Funkenstreckenanordnungen 10 in einer platzsparenden, räumlichen Anordnung integriert. Damit ergibt sich ein günstiger Ausnutzungsfaktor des Innenvo­ lumens des Außengehäuses 13. Die erdseitige Verbindung der Einzelelemente kann durch eine kostengünstige, gemeinsame Erdplatte 17 realisiert werden. Das Außengehäuse 13 kann, wie in Fig. 3a dargestellt, über Schnappbefestigungen 14 auf einer Standardtragschiene montiert werden. Es können An­ schlußmöglichkeiten für Kabeleinspeisung 15 (Fig. 3a) oder eine Kammschiene 16 (Fig. 3) vorhanden sein. Die Anschluß­ möglichkeiten der stromführenden Leiter sind im modularen Abstandsmaß so aufgebaut, daß auf der einen Seite die drei Anschlüsse 15, bzw. 16 für die stromführenden Leiter und auf der Gegenseite der Erdanschluß 21 vorgesehen ist.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen Funkenstreckenanordnung. Bei dieser druckdichten Ausfüh­ rungsform ist der für eine hermetische Abdichtung gemäß Fig. 1 vorgesehene äußere Druckkörper 6 entfallen. Dies bedingt, daß das innere Kunststoffelement 5a und die beiden Deckel­ elemente 4a und 4b so auszubilden sind, daß diese Teile 5a, 4a und 4b die Funktion des hier entfallenen äußeren Druck­ körpers 6 insoweit ersetzen, als der erforderliche druck­ feste Zusammenhalt über diese Teile 5a, 4a und 4b erzielt wird. Dazu werden entweder die Deckelelemente 4a und 4b entlang der gemeinsamen Fläche (Strecke A-E) verklebt, oder die Teilflächen (Strecke B-C oder D-E) mit einem feingängi­ gen Gewinde versehen und verschraubt. Statt dessen kann auch ein Vernieten oder ein Verstiften erfolgen. Die vorgenannten Verbindungstechniken sind kombinierbar.

Als Werkstoff für die Deckelelemente 4a und 4b bietet sich Metall oder ein entsprechend hochstabiler Kunststoff an. Bei der Verwendung von Kunststoffdeckeln 4a und 4b ist von Vorteil, daß eine isolierende Außenhülle entsteht, die in manchen Anwendungsfällen von Vorteil sein kann (z. B. Berüh­ rungsschutz). Außerdem kann es auch aus fertigungstech­ nischen oder Kostengründen günstiger sein, die Teile 5a, 4a und 4b zu verkleben.

Claims (28)

1. Verfahren zur Beeinflussung des Folgestromlöschvermögens von Funkenstreckenanordnungen mit zwei Elektroden, die innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind, wobei gegebe­ nenfalls innerhalb des Gehäuses ein Löschgas vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine Abstimmung der Größe des zu löschenden Folgestromes auf das Volumen des Innen­ raumes des Gehäuses (5) derart, daß eine kurzzeitige Erhöhung des Innendruckes des Gehäuses (5) auf ein Vielfaches des atmosphärischen Druckes bewirkt wird, wobei die Druckerhöhung in dem die Elektroden aufweisen­ den Innenraum (1) durch den Lichtbogen des Folgestromes selbst produziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine kurzzeitige Erhöhung des Innendruckes des Gehäuses auf 10-60 bar.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der im Gehäuse (5) auftretende Überdruck lang­ sam abgebaut wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Abbau des Überdruckes innerhalb 3 bis 5 Stunden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeich­ net durch die Verwendung von Luft oder Schwefelhexafluo­ rid als Löschgas.

6. Funkenstreckenanordnung mit zwei Elektroden, die im Innenraum eines geschlossenen Gehäuses angeordnet sind, zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Elektroden (2a, 2b) beinhaltende Innenraum (1) von einer druckfesten Gehäuseanordnung (5) umgeben ist, wobei das Volumen des Innenraumes derart bemessen und auf die Höhe des zu erwartenden Folgestromes abgestimmt ist, daß durch den Lichtbogen des Folgestromes eine Druckerhöhung eines im Innern des Elektrodenraumes vorgesehenen Gases, insbesondere eines Löschgases auf ein Vielfaches des atmosphärischen Druckes erreicht wird.

7. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Volumen des Innenraumes (1) derart bemessen und auf die Höhe des zu erwartenden Folgestro­ mes abgestimmt ist, daß durch den Lichtbogen des Folge­ stromes eine Druckerhöhung eines im Innenraum (1) vorge­ sehenen Gases, insbesondere eines Löschgases auf 10-60 bar erreicht wird.

8. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 6 oder 7, gekenn­ zeichnet durch ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse, wobei der Ruhedruck des im Gehäuseinnenraum befindlichen Gases auf den atmosphärischen Druck oder einen davon abweichenden Wert eingestellt ist.

9. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein quasi-druckdichtes Gehäuse mit einer Gasfül­ lung, deren Druck gleich dem atmosphärischen Druck ist.

10. Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugt etwa zylindrisch ausgebildete Gehäuseanordnung (5) an den Stirnflächen durch zwei Deckelelemente (4a, 4b) und an den Seitenflächen durch ein Kunststoffelement (5a) druckfest abgeschlossen ist.

11. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der druckfeste Zusammenhalt der De­ ckelelemente (4a, 4b) und des Kunststoffelementes (5a) durch Verkleben, Verschrauben oder ähnliche Verbindungs­ techniken geschaffen ist.

12. Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseanordnung (5) von einem äußeren Druckkörper (6) umschlossen ist, der aus einem metallischen Rohrstück besteht und die Gehäuseanordnung druckfest zusammenhält.

13. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckkörper (6) an seinen stirn­ seitigen Rändern umgebördelt ist (6′) und die Deckelele­ mente (4a, 4b) umgreift.

14. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Durchmesser (d1) eines Elektro­ denfußes (8) der jeweiligen Elektrode (2a, 2b) größer ist als die lichte Weite (d2) der umgebördelten Ränder (6′) des Druckkörpers (6).

15. Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur thermischen Isolierung der heißen Elektroden (2a, 2b) und des Lichtbogens von den Deckelelementen (4a, 4b) je eine thermische Trennscheibe (7) dazwischen vorgesehen ist.

16. Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungen zu den Elektroden (2a, 2b) durch ent­ lang der Mittellängsachse (19-19) der Funkenstreckenan­ ordnung verlaufende axiale Anschlüsse (2′) erfolgt.

17. Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Ansprechspannung der Funkenstrecke die beiden Elektroden (2a, 2b) auf einen Abstand (a) gehal­ ten sind und daß bevorzugt dieser Abstand (a) veränder­ bar ist.

18. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand (a) als relativ kleiner, senkrecht zur Mittellängsachse (19-19) verlaufender Spalt zwischen den Elektroden (2a, 2b) ausgebildet ist.

19. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wände (20) des Abstandes zwischen den Elektroden (2a, 2b) vom Spalt (a) her nach außen hin verlaufend zwischen sich eine konische Erweiterung des Luftspaltes bilden.

20. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen den Elektroden (2a, 2b) durch ein zwischen den Elektro­ den vorgesehenes Isolierstück (3) fixiert ist.

21. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Isolierstück (3) bis zur inneren Stirnfläche des Spaltes (a) reicht.

22. Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zum Angleichen des Innendruckes der Gehäuseanordnung (5) an den atmosphärischen Druck Be- und Entlüftungskanäle (9) vorgesehen sind.

23. Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Kunststoffelement (5a) und/oder das Isolierstück (3) aus einem gasabgebenden Werkstoff bestehen.

24. Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstreckenanordnung in Art eines Moduls (10) in einem Außengehäuse (11; 13) angeordnet ist.

25. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 24, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Außengehäuse ein N-H-Sicherungsge­ häuse (11) ist, das aus zwei Halbschalen (11a, 11b) bestehen kann.

26. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 24, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere, beispielsweise drei, Funken­ streckenanordnungen (10) in einem gemeinsamen Außenge­ häuse (13) angeordnet sind.

27. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 26, dadurch ge­ kennzeichnet, daß deren Außengehäuse (13) über Schnapp­ befestigungen (14) an einer Standardtragschiene montier­ bar ist.

28. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 26 oder 27, ge­ kennzeichnet durch Anschlußmöglichkeiten für Kabelein­ speisung (15) oder eine Kammschiene (16) sowie einen Erdanschluß (17).