DE3914624A1 - Anordnung mit zumindest zwei funkenstrecken fuer die begrenzung von ueberspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung aus Funkenstrecken gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Solche Anordnungen sind aus DE-PS 26 27 648 und 31 01 354 bekannt. Die die Funkenstrecken bildenden Elektroden können also beispiels­ weise etwa scheibenförmig sein (DE-PS 26 27 648). Sie könnten aber z.B. auch zueinander konzentrisch sein (DE-PS 31 01 354). Mit beiden vorgenannten Anordnungen wird zwar eine hohe Stromtragfähigkeit beim Ableiten von Blitzstoß­ strömen und auch ein zuverlässiges Löschen des Netzfolge­ stromes nach dem Überschlag erreicht. Bei Reihenschal­ tung derartiger Funkenstrecken addieren sich die Ansprech­ spannungen der Teilfunkenstrecken, damit ist aber die resultierende Gesamtansprechspannung, d.h. der Schutz­ pegel für eine Reihe von Anwendungsfällen zu hoch. Ein relativ niedriger Schutzpegel wäre zwar mit vorbekannten Einzelfunkenstrecken erreichbar, jedoch ist hierbei nicht in allen Anwendungsfällen die unmittelbar nach der Strom­ ableitung erforderliche Löschung des Netzfolgestromes bedingt durch die anliegende Netzspannung erreichbar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Anordnung von Funkenstrecken gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszugestalten, daß die nachfolgend angegebenen Forderungen insgesamt, d.h. in Kombination miteinander erfüllt werden:

• a) Eine möglichst tiefe Ansprechspannung (angenähert an die Ansprechspannung einer Einzelfunkenstrecke), damit der Schutz­ pegel ziemlich tief ist.
• b) Eine hohe Stromtragfähigkeit beim Ableiten von Stoßströmen.
• c) Nach einem Zünden durch Überspannung und gleichzeitig anliegender Netzspannung unmit­ telbare Löschung des Netzfolgestromes.

Die Lösung dieser Aufgabe wird zunächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1, in den Merkmalen des Kenn­ zeichens des Anspruches 1 gesehen. Hiermit wird durch die unterschiedlichen Kapazitäten die Aufteilung der an der Funkenstreckenanordnung vor dem Ansprechen anliegenden Spannung auf die Teilfunkenstrecken entsprechend einge­ stellt. Die Kapazitäten der in Reihe geschalteten Teil­ funkenstrecken sind unterschiedlich. Dadurch liegt an der Teilfunkenstrecke kleinerer Kapazität ein großer Teil der insgesamt anliegenden Spannung. Somit erfolgt der bei Er­ reichen einer bestimmten Überspannung auftretende Über­ schlag zuerst an dieser Teilfunkenstrecke mit der kleineren Kapazität. An der übrigen Teilfunkenstrecke bzw. den Teil­ funkenstrecken liegt jetzt nahezu die gesamte Spannung und somit wird der Überschlag an der nachfolgenden Teil­ funkenstrecke, bzw. den nachfolgenden Teilfunkenstrecken größerer Kapazität eingeleitet. Unter Beibehaltung der Vorteile einer hohen Strombelastbarkeit und sicherer Löschung des Netzfolgestromes einer Mehrfachfunkenstrec­ ke (siehe DE-PS 26 27 648 und DE-PS 31 01 354) wird aber die Gesamt-Ansprechspannung einer solchen Anordnung im wesentlichen nur noch von der Ansprechspannung der Funken­ strecke kleinerer Kapazität bestimmt, während bei den vor­ bekannten Funkenstreckenanordnungen, bei denen alle Teil­ funkenstrecken die gleiche Kapazität haben, sich die ge­ samte Ansprechspannung U _a der Anordnung aus der Addition der Ansprechspannungen der einzelnen hintereinander ge­ schalteten Teilfunkenstrecken ergab. Demgegenüber ergibt die Anordnung nach der Erfindung eine relativ niedrige Gesamtansprechspannung, bzw. Schutzpegel für das zu schützende Gerät oder System, bzw. den angeschlossenen Verbraucher. Es werden die drei Komponenten a, b und c der o.g. Aufgabenstellung gelöst.

Die Erfindung läßt sich mit relativ einfachen, die Ferti­ gungskosten nicht oder nur unwesentlich erhöhenden Gestal­ tungen einer solchen Funkenstreckenanordnung erreichen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist Inhalt des Anspruches 2. Sie ermöglicht entsprechende Kapazitäts­ veränderungen durch Änderungen der Größe der Flächen, die bestimmend für die Kapazität einer hiervon gebildeten Teil­ funkenstrecke sind.

Die Ansprüche 3 und 4 beinhalten Ausführungen der Änderung der für die Kapazität maßgeblichen effektiven Flächen der entsprechenden Elektroden.

Es liegt aber auch im Bereich der Erfindung, die Abwei­ chungen in den Kapazitäten der hintereinander geschalte­ ten Teilfunkenstrecken gemäß Anspruch 5 auch durch Ver­ wendung von Isoliermaterialien unterschiedlicher Dielektri­ zitätskonstanten zu erreichen. Eine weitere Möglichkeit der Kapazitätsänderung besteht darin, die Dicke der Iso­ lierschichten der Teilfunkenstrecken einer Anordnung unterschiedlich zu wählen (siehe Anspruch 6).

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht da­ rin, daß gemäß Anspruch 7 die unterschiedlichen Kapazitäten nur durch Unterschiede der diese Kapazitäten bestimmenden Flächen erreicht werden, während die Dicke und auch die Dielektrizitätskonstante der Isolierschichten der Teil­ funkenstrecken einer Anordnung nach der Erfindung beibe­ halten werden. Dies ist deswegen vorteilhaft, weil die Ansprechspannungen der Teilfunkenstrecken etwa gleich sind und eine Veränderung der Kapazitäten durch Variation der Dicke der Isolierschichten an technische Grenzen stößt, in dem geringe Dicken bei Stromableitungen Verschweißungen der Elektroden ergeben.

Vom Prinzip her sind aber auch die Anordnungen gemäß An­ spruch 8 und 9 möglich.

Eine in der Praxis in der Regel ausreichende und damit be­ vorzugte, sowie in der Herstellung preisgünstige Anordnung der Erfindung ist Gegenstand des Anspruches 10, wobei sich ein Verhältnis der Kapazitäten der Teilfunkenstrecken ge­ mäß Anspruch 11 empfiehlt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeich­ nung zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: schematisch ein erstes Ausführungs­ beispiel im Längsschnitt,

Fig. 1a: eine Draufsicht auf Fig. 1,

Fig. 2: ein weiteres Ausführungsbei­ spiel im Längsschnitt,

Fig. 3: das elektrische Ersatzschalt­ bild von Funkenstreckenan­ ordnungen (unmittelbar vor Ansprechen der Funkenstrecken­ anordnung) gemäß den Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt eine Doppel- oder Zweifachfunkenstrecke, bestehend aus drei Elektroden 1, 2 und 3, zwischen denen Schichten 4, 5 aus Isolierstoff vorgesehen sind. Die Draufsicht gemäß Fig. 1a zeigt, daß in diesem Ausführungs­ beispiel die vorgenannten Elektroden und Isolierschichten kreisrund ausgebildet sind.

Die Elektroden 1, 2 liegen mit ihren Stirnflächen 1′, 2′ einander gegenüber, wobei der Abstand a zwischen diesen Stirnflächen von Isolierstoff 4 ausgefüllt ist. Dies bil­ det die erste Teilfunkenstrecke F 1. Die andere Stirnfläche 2′′ der Elektrode 2 bildet mit der Stirnfläche 3′ der Elektrode 3 und der Isolierschicht 5 mit Abstand a eine weitere Teilfunkenstrecke F 2. Die elektrischen Anschlüsse 6 und 7 werden von den weiteren Stirnflä­ chen 1′′, bzw. 3′′ der vorgenannten Anordnung gebildet, bzw. an diese gelegt. Somit liegen die Teilfunkenstrec­ ken F 1 und F 2 elektrisch in Reihe und baulich mit den vorgenannten, etwa scheibenförmigen Elektroden und Isolierschichten in einer Reihe übereinander.

Die Stirnflächen 1′, 2′ und die zugehörige Isolierschicht 4 bilden Vorsprünge 8, 9 und zugehörige Ausnehmungen 10, 11. Dies hat zur Folge, daß die die Größe der Kapazität der Teilfunkenstrecke F 1 mit bestimmenden Flächen 1′ und 2′ größer sind als die Stirnflächen 2′′ und 3′, sowie die zugehörigen Gegenflächen der Isolationsschicht 5, welche die Kapazität der Teilfunkenstrecke F 2 mitbestim­ men. Die Kapazität der Teilfunkenstrecke F 1 ist somit größer als die der Teilfunkenstrecke F 2. Dies ist in dem Ersatzschaltbild der Fig. 3 dargestellt. Bei Überschrei­ ten der Ansprechspannung U _a der Funkenstreckenanordnung, die an den elektrischen Anschlüssen 6 und 7 angeschlossen ist, soll ein Ansprechen dieser Funkenstreckenanordnung erfolgen, wobei U _a in etwa bei der Ansprechspannung einer Teilfunkenstrecke liegen soll. Dies wird in diesem Bei­ spiel in der Weise erreicht, daß die Kapazität C 1 der Teilfunkenstrecke F 1 so gewählt wird, daß an dieser Teil­ funkenstrecke mit der Ansprechspannung U _F etwa 10% der Spannung U anliegt, während an der Teilfunkenstrecke F 2 (ebenfalls mit der Ansprechspannung U _F ) und der Kapazität C 2 etwa 90% der Gesamtspannung U abfallen. Hiermit tritt bei Erreichen der Spannung U _a an den Kontakten 6, 7 der Effekt ein, daß die Teilfunkenstrecke F 2 bereits bei

überschlägt, dann die Gesamtspannung praktisch an der Teilfunkenstrecke F 1 liegt, und damit spontan auch ein Überschlag an der Teilfunkenstrecke F 1 erfolgt. Die Ansprechspannung U _a der Funkenstreckenan­ ordnung beträgt in diesem Fall etwa 1,1 · U _F , d.h. sie ist in etwa gleich der einer Teilfunkenstrecke.

Die Änderung der Kapazitäten der beiden in Reihe befind­ lichen Teilfunkenstrecken F 1 und F 2 durch entsprechende Be­ messung der die Kapazitäten mit bestimmenden Flächen ist auch in anderer Weise möglich, wie es das schematische Bei­ spiel der Fig. 2 zeigt. Hier bestehen die drei Elektroden 1, 2 und 3 aus kleinen zylindrischen Scheiben, wobei aber der Durchmesser der untersten Elektrode 3 kleiner ist als der Durchmesser der anderen Elektroden 1, 2. Damit sind die Flächen 1′, 2′ wesentlich größer als die effektive Fläche 2′′ und die an ihr anliegende Gegenfläche 3′ der Teilfunkenstrecke F 2. Auch hierdurch ist erreicht, daß die Kapazität C 1 der Teilfunkenstrecke F 1 größer ist als die Kapazität C 2 der Teilfunkenstrecke F 2.

Für die vorgenannte kapazitive Spannungsverteilung ist bevorzugt ein Kapazitätsverhältnis von C 1:C 2 im Bereich von 5:1 bis 10:1 vorgesehen.

Bei den in Fig. 1, 2 dargestellten und vorstehend beschrie­ benen Ausführungsbeispielen erfolgt der Überschlag zwischen den umlaufenden Mantelflächen 12, 13 und 13, 14 im Bei­ spiel der Fig. 1, sowie 15, 16 und zwischen der Stirnfläche 2′′′ der Elektrode 2 und der Mantelfläche 17 der Elektrode 3 im Beispiel der Fig. 2. L, L′ und L′′ stellen Lichtbogen dar.

Vom Prinzip her könnte die Veränderung der Kapazität der Funkenstrecken einer solchen Anordnung auch dadurch erfol­ gen, daß man die Dicke a der Isolierschichten und/oder das Material der Isolierschichten und damit deren Dielektrizitätskonstanten verändert. Allerdings stößt die Änderung der Dicke a insoweit an Grenzen, als man die Isolierschicht nicht beliebig dünn machen kann. Sonst würden die Stromableitungen ein Verschweißen der sich gegenüberliegenden Elektroden und damit dort einen ständi­ gen Kurzschlußpfad bewirken. Weiterhin ändert sich mit Veränderung der Dicke a auch die Ansprechspannung der Teil­ funkenstrecke. Daher ist die in diesen Ausführungsbeispie­ len beschriebene Kapazitätsveränderung durch Veränderung der jeweiligen effektiven Flächen der Teilfunkenstrecken die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Dies schließt aber nicht aus, daß man, wie erläutert, dies auch durch Änderungen des Maßes a und/oder der Dielektrizitätskonstante des Isolierstoffes 4, 5 bewirkt.

Beim Überschlag einer aus mehreren Teilfunkenstrecken be­ stehenden Anordnung entsteht ein mehrfacher Anoden-Kathoden- Spannungsfall. Dies begünstigt das Löschen des Netzfolge­ stromes.

Die Strombelastbarkeit einer solchen Funkenstreckenanord­ nung muß genügend hoch sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn gemäß dem Ausführungsbeispiel der Lichtbogenüberschlag zwischen den erläuterten Flächen 12-17 und 2′′′ als außenliegende Gleitentladung erfolgt. Diese umlaufenden Mantelflächen 12, 13, 14, 15 und 16 sind große Flächen für die umlaufenden in Fig. 1 eingezeichneten Lichtbögen L. Im Fall der Fig. 2 ist der Lichtbogen zwischen den Elektro­ den 2, 3 mit L′′ eingezeichnet. Hieraus ergibt sich, daß die umlaufende Mantelfläche 3 klein ist und damit die Strom­ tragfähigkeit der Funkenstreckenanordnung nach Fig. 2 geringer ist als die einer Funkenstreckenanordnung nach Fig. 1.

Claims (11)

1. Anordnung mit zumindest zwei, elektrisch in Reihe geschalteten Teilfunkenstrecken, insbesondere für die Begrenzung von Überspannungen in Niederspan­ nungsanlagen, bestehend aus zumindest drei Elektro­ den, wobei für die Schaffung jeder Funkenstrecke zwei dieser Elektroden sich jeweils mit einer Fläche gegenüberliegen und durch eine Isolations­ schicht voneinander im Abstand gehalten sind, wobei jede Teilfunkenstrecke an ihrer Isolier­ schichtgrenze eine Überschlagsstelle bildet, die sich bevorzugt im Außenbereich zwischen einer Fläche der einen und einer Fläche der anderen Elektrode befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (C 1, C 2) der Teilfunkenstrecken (F 1, F 2) derart unterschiedlich gewählt sind, daß eine (F 1) der Teilfunkenstrecken einen größeren Teil der anliegenden Spannung übernimmt als die andere (F 2) Teilfunkenstrecke(n) .

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen der Kapazitäten (C 1, C 2) der einzelnen Funkenstrecken (F 1, F 2) voneinander durch Abweichungen der Größe der sich gegenüberliegenden und die jewei­ ligen Kapazitäten mit bestimmenden Flächen (1′, 2, und 2′′, 3′) der zu der jeweiligen Teilfunkenstrecke gehörenden Elektroden (1, 2 und 2, 3) erzielt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Flächen (1′, 2′) der Elektroden (1, 2) einer Teilfunkenstrecke (F 1) zueinander­ passend eine oder mehrere Ausnehmungen (10, 11) und Vorsprünge (8, 9) aufweisen und auch im Bereich dieser Ausnehmung, bzw. Ausnehmungen und Vorsprung, bzw. Vor­ sprünge den gleichen oder auch kleineren Abstand (a) voneinander haben wie im übrigen Bereich dieser Flächen, und daß die Isolationsschicht (4) eine der Form dieser Flächen (1′, 2′) angepaßter Form besitzt.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine (3′) der sich einander gegenüber­ liegenden Flächen (2′′, 3′) der Elektroden (2, 3) einer Teilfunkenstrecke dieser Anordnung einen kleineren Durch­ messer hat als die sich gegenüberliegenden Flächen der Elektroden der anderen Teilfunkenstrecke(n).

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschichten (4, 5) jeweils unterschied­ liche Dielektrizitätskonstanten aufweisen.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken (a) der Isolationsschichten (4, 5) der Funkenstreckenanordnung unterschiedlich sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleicher Dicke (a) und gleicher Dielektrizitätskonstante der Isolationsschichten (4, 5) die die Kapazitäten der Teilfunkenstrecke bedingenden Flächen der Elektroden unterschiedlich sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kapazitäten (C 1, C 2) der Teilfunkenstrecken (F 1, F 2) bedingenden Flächen gleich, dagegen die Dicken (a) der Isolationsschichten und/oder die Dielektrizitätskonstanten der Isolationsschichten ungleich sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die die Kapazitäten (C 1, C 2) der Teilfunkenstrecken (F 1, F 2) bedingenden Flächen und die Dicke (a) der Isolationsschicht und die Dielektrizitäts­ konstante der Isolationsschichten (4, 5) jeweils ungleich sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Teilfunkenstrecken (F 1, F 2), bestehend aus drei Elektroden (1, 2, 3) mit zwei zwischen den Elektroden befindlichen Isolierschichten (4, 5) und einer Ausgestaltung der die Kapazitäten dieser bei­ den Funkenstrecken bestimmenden Merkmale so ausgelegt sind, daß eine der Funkenstrecken im wesentlichen, bevorzugt nahezu die volle, an der Anordnung liegende Spannung U übernimmt und damit die Ansprechspannung der Anordnung im wesentlichen der Ansprechspannung einer Teilfunkenstrecke entspricht.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Kapazitäten (C 1 : C 2) im Bereich von 10:1 bis 5:1 liegt.