DE3829650A1

DE3829650A1 - Kombinierte loeschfunkenstrecke

Info

Publication number: DE3829650A1
Application number: DE19883829650
Authority: DE
Inventors: Joachim Nedtwig
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1988-09-01
Filing date: 1988-09-01
Publication date: 1990-03-15

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsschutz nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Überspannungsableiter sind bereits seit vielen Jahren auf dem Markt verfügbar, sowohl als selbstlöschende Luftfunkenstrecken, als auch als nicht selbsttätig lö schende Edelgas-Ableiter. Die Zahl der in Frage kommen den Schutzelemente für Stromversorgungsleitungen ist dennoch sehr begrenzt. Der Schutz eines Kabels erfolgt in der Regel so, daß jede einzelne Ader eine selbstlö schende Luftfunkenstrecke erhält. Im Überspannungsfall wird dann die Überspannung bzw. der Überstrom gegen Masse kurzgeschlossen und es setzt die selbsttätige Löschung der Lichtbogen jeder einzelnen Luftfunkenstrecke durch Ausblasen ein (Ausga sen eines Kunststoffes). Wenn die Einzelableiter nicht exakt dasselbe Zündverhalten haben, kommt es im Augen blick des Zündens zu Differenzspannungen zwischen den Leitern. Bei fünf Adern ist der Platzbedarf für die Fun kenstrecken bereits erheblich groß.

Die bekannte Prinzipschaltung für den einphasigen Über spannungsschutz zeigt Fig. 1b nach VG-Norm 96 907, Teil 1. Über den Grobschutz G werden die hohen Überströme (kA-Bereich) gegen Masse abgeleitet. Die hier eingesetz ten Funkenstrecken müssen der starken Erwärmung, den Kraftwirkungen, Abschmelzungen und Korrosionswirkungen standhalten, und sie müssen die vom Netz kommenden Fol geströme selbsttätig, schnell und sicher löschen.

Die in die Zuleitung geschaltete Entkopplungsimpedanz Z _E entkoppelt die hochfrequente (schnelle) Stoßwelle vom Gerät und die Funkenstrecke zündet bei möglichst niedri gen Spannungswerten. Gemäß Fig. 1a eignen sich dafür insbesondere Induktivitäten in Form von Spulen oder Transformatoren, deren Widerstandsbetrag mit der Fre quenz und deren Spannungsabfall mit der Stromänderung wächst. Der Spannungsabfall für die Betriebsspannung und Betriebsfrequenz an der Entkopplungsimpedanz Z _E muß mög lichst gering sein, die Spannungsfestigkeit entsprechend hoch (kV-Bereich) und das Verhalten über der Temperatur stabil. Als Feinschutz F eignen sich alle schnell durch schaltenden Halbleiterelemente, vorrangig antiparallel geschaltete Dioden und Varistoren. Bei der Dimensionie rung des Feinschutzes ist deshalb der härteste Bela stungsfall für das Schutzelement zugrunde zu legen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Über spannungsschutz anzugeben, der für mehrere elektrische Leiter geeignet ist, einen geringen Platzbedarf erfor dert und kostengünstig herstellbar ist.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs beispielen beschrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

In den Fig. 1a, 1b ist eine bekannte Überspannungs schutzschaltung und das entsprechende Ersatzschaltbild dargestellt.

In Fig. 2, 3 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Lösch-Funkenstrecke schematisch dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine 2-Leiter-Löschfunkenstrecke In Fig. 5 ist eine Löschfunkenstrecke mit Bimetallelek trode dargestellt.

Fig. 6 zeigt eine kombinierte Lösch-Funkenstrecke für 5 poligen Drehstromanschluß.

Fig. 7 zeigt eine vielpolige Leitungseinführung für eine Löschfunkenstrecke.

Nach NEMP-Schlägen, aber auch nach Blitzschlägen führen alle Adern eines Kabels näherungsweise dieselben Über spannungen, verantwortlich dafür sind die vielfältigen Kopplungen der einzelnen Adern untereinander - kapazitiv, galvanisch, induktiv.

Die Wirkungsweise des selbsttätigen Löschens der Folge ströme läßt sich mit den Fig. 2 und 3 für die erfin dungsgemäße, kombinierte Löschfunkenstrecke erklären. Im Überspannungsfall zünden die Luft-, Gas- oder Vakuum- Funkenstrecken zwischen den spitz zulaufenden Elektroden der Leiter L ₁, L ₂ und der Masseplatte MP. Die Elektroden sind z. B. aus Edelstahl oder mit Wolfram-Kupferlegierun gen überzogen. Die Masseplatte besteht beispielsweise aus Stahl. In die Masseplatte ist ein Löschloch einge bracht. Die Elektroden sind in ein Isolatorgehäuse z. B. aus Keramik oder Kunststoff eingebettet. Die Löschfun kenstrecke ist in ein Metallgehäuse vorzugsweise aus Stahlblech integriert. Nach dem Zünden der einzelnen Funkenstrecken fließen sehr große Überströme gegen Masse ab.

Jeder einzelne Lichtbogenstrom erzeugt dabei ein Magnet feld, das den/die anderen Lichtbogen impulsartig anzieht (Fig. 2).

Die Kraft F auf einen stromdurchflossenen Leiter ist proportional zum Stromquadrat I ² und nimmt mit kleiner werdenden Lichtbogenabständen zwischen den Leiterelek troden stark zu.

Je mehr sich die beiden Ströme infolge ihrer Beweglich keit als Lichtbogen aufeinander zu bewegen, um so größer wird die gegenseitige Anziehungskraft, bis hin zu einem gemeinsamen Lichtbogen in der Mitte beider Elektroden. Während die Anziehungskraft F für stationäre Ströme pro portional zum Stromquadrat ist, wird bei einer gegenüber mechanischen Schwingungsdauern vergleichsweise sehr kurzzeitigen Stromwirkung, wie sie bei NEMP- und Blitz strömen gegeben ist, zusätzlich der Kraftimpuls wirksam.

Das selbsttätige Löschung der Folgeströme nach dem Zün den der Lichtbogen erfolgt wahlweise durch mehrere Vor gänge. Diese lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

- Löschloch (LL)
- Ausblasen durch Gas (AL)
- Gegeninduktions-Ring mit Gasableiter
- Bimetallelektrode zur Abstandsvergrößerung der Lichtbogenlängen

a) Löschloch
Durch die magnetischen Anziehungskräfte F ₁, F ₂ für den stationären und dynamischen Betriebsfall bewegen sich die Lichtbogen der einzelnen Zündelektroden auf die je weilige geometrische Mitte zwischen den Elektroden. Die Lichtbogen werden bis zum Abreißen durch die eigenen An ziehungskräfte der Blitzströme in das in der Masseplatte vorhandene Löschloch gezwängt. Die Elektrodenkanten des Löschloches sind entsprechend verrundet, damit keine ho hen elektrischen Feldstärken an scharfen Kanten auftre ten können (Fig. 3).

b) Ausblasen mit Gas
Im Augenblick des Lichtbogenzündens wird das Gas, auch Luft als Gasgemisch, das die Elektroden umgibt, impuls artig erhitzt. Eine entsprechend günstig angebrachte Lö cherkombination aus großem Löschloch LL und Ausblaslö chern AL mit geringen Querschnitten zur Zündelektroden seite (Fig. 4) sorgt für einen gesicherten Gasstrom vom Löschloch LL unter der Masseplatte MP hindurch in die Ausblaslöcher AL im Isolator, die von außen große Quer schnitte haben und innen mit Metallventilfedern ver schlossen werden können. Dadurch kann sich der Gasstrom nur in einer Richtung ausbreiten und drückt zusätzlich auf die Lichtbogen in Richtung Löschloch.

c) Induktionsring mit Gasableiter
Eine weitere Löschhilfe ist dadurch erreichbar, daß auf dem Isolator ein kreisförmiger Ring angebracht ist, der über einen Gasableiter kurzgeschlossen wird. Die Anord nung ist so bemessen, daß sie erst zeitlich verzögert durchzündet und dann ein Magnetfeld aufbaut, das als zentrierende Kraft wirksam wird. Will sich beispiels weise nach dem Zünden der Elektroden ein Lichtbogen aus der Mitte des Löschloches LL wieder zurück zur Mas seelektrode bewegen, dann muß er noch zusätzlich gegen diese Zentrierkraft wirken.

d) Bimetallelektrode zur Abstandsvergrößerung in Fig. 5 zeigt als eine weitere Möglichkeit der Lösch hilfe, die Vergrößerung des Elektrodenabstandes nach Er wärmung einer Bimetallelektrode.

Ausgehend von der Zweierkombination der Löschfunken strecke nach Fig. 4 zeigt Fig. 6 eine 5-Leiter-Anordnung für den Schutz eines Stromversorgungseinganges mit drei Leitern L ₁, L ₂ und L ₃, dem Nulleiter N und dem Potential ausgleichsleiter PE.

Die Struktur einer vielpoligen, selbstlöschenden Funken streckenanordnung zeigt Fig. 7. Sie ist bei Signal- und Datenleitungen, sowie für Gleichstromleitungen einsetz bar.

Durch Füllen des Gasraumes G (Fig. 4) z. B. mit Stick stoff oder Schwefelhexafluorid angereicherter Luft wird die Zündschwelle des Gases erniedrigt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Überspann schutzes besteht darin, daß anstelle des Isolatorgehäu ses, in das die Leiterelektroden integeriert sind, ein Gehäuse aus einem Varistor-Material, z. B. ZnO verwendet wird. Dadurch wird bei kleinen Überspannungen stets der Varistor zuerst leitend und erst bei hohen Überspannun gen zünden die Gasableiter. Das Varistor-Material wird nicht mit großen Strömen belastet und der erfindungsge mäße Überspannungsschutzleiter leitet auch sehr kleine Überspannungen ab, die nicht zum Funkenstreckendurch schlag führen.

Verbindet man die beiden Elektroden nach Fig. 4, so las sen sich in Ergänzung zur kombinierten Löschfunken strecke zusätzlich Einzelfunkenstrecken herstellen. Da bei müssen die jeweiligen Elektroden so justiert werden, daß sie gleichzeitig zünden, wobei jede Elektrode den halben Überstrom tragen soll.

Claims

1. Überspannungsschutz, insbesondere selbstlöschende Funkenstrecken, dadurch gekennzeichnet,

- daß mehrere elektrische Leiter lediglich durch eine kombinierte Löschfunkenstrecke geschützt sind, und
- daß das Löschen der elektrischen Folgeströme durch ma gnetisches und gasförmiges Ausblasen und/oder durch me chanisches Aufweiten der Funkenstrecken erfolgt.

2. Überspannschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, die Löschfunkenstrecke zusätzlich Bimetallelektro den enthält.

3. Überspannschutz nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Querschnitt des Löschloches we sentlich größer ist als die Querschnittssumme der Blas löcher.

4. Überspannschutz nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaß der Blaslö cher Metallfedern angebracht sind, die als Ventile für den Gasstrom wirken.

5. Überspannschutz nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllgas für den Überspannungsschutz, Gase verwendbar sind, die eine höhere Zündspannung besitzen als Luft.

6. Überspannschutz nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolatorgehäuse aus Varistor-Material aufgebaut ist.

7. Überspannschutz nach einem der vorhergehenden An sprüche 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß statt eines Gases im Innenraum der Funkenstrecken ein Vakuum erzeugt wird.

8. Überspannschutz nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß auch Einzelfunken strecken realisiert werden, derart, daß jeder Leiteranschluß je zwei Zündelektroden erhält, die beide gleichzeitig zünden und jeweils den halben Überstrom führen.