DE3914624C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit zwei, elektrisch in Reihe geschalteten Teilfunkenstrecken, insbesondere für die Begrenzung von Überspannungen in Niederspannungsanlagen, bestehend aus drei Elektroden, wobei für die Schaffung jeder Funkenstrecke zwei dieser Elektroden sich jeweils mit einer Fläche gegenüberliegen und durch eine Isolationsschicht voneinander im Abstand gehalten sind, wobei jede Teilfunkenstrecke an ihrer Isolierschichtgrenze eine Überschlagstelle bildet, die sich bevorzugt im Außenbereich zwischen einer Fläche der einen und einer Fläche der anderen Elektrode befindet. Solche Anordnungen sind aus DE-PS 26 27 648, 30 16 265 und 31 01 354 bekannt. Die die Funkenstrecken bildenden Elektroden können also beispielsweise etwa scheibenförmig sein (DE-PS 26 27 648 und 30 16 265). Sie könnten aber auch zueinander konzentrisch sein (DE-PS 31 01 354). Mit beiden vorgenannten Anordnungen wird zwar eine hohe Stromtragfähigkeit beim Ableiten von Blitzströmen und auch ein zuverlässiges Löschen des Netzfolgestromes nach dem Überschlag erreicht. Bei Reihenschaltung derartiger Funkenstrecken, deren Kapazitäten einander gleich sind, addieren sich die Ansprechspannungen der Teilfunkenstrecken, damit ist aber die resultierende Gesamtansprechspannung, d. h. der Schutzpegel 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 Stromableitung erforderliche Lösung des Netzfolgestromes bedingt durch die anliegende Netzspannung erreichbar.

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

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

Die Lösung dieser Aufgabe wird zunächst, ausgehend von dem genannten Oberbegriff des Anspruches 1 darin gesehen, daß die Kapazitäten der beiden Teilfunkenstrecken derart unterschiedlich gewählt sind, daß eine der Teilfunkenstrecken nahezu die volle, an der Anordnung liegende Spannung übernimmt und damit die Ansprechspannung der Anordnung im wesentlichen der Ansprechspannung dieser Teilfunkenstrecke entspricht. Durch eine Ausgestaltung der die Kapazitäten dieser beiden Funkenstrecken bestimmenden Merkmale und die Erzielung entsprechend unterschiedlicher Kapazitäten erfolgt eine entsprechende Aufteilung der an der Funkenstreckenanordnung vor dem Ansprechen anliegenden Gesamtspannung auf die Teilfunkenstrecken. Dabei liegt an der Teilfunkenstrecke kleinerer Kapazität der weitaus größere Teil der insgesamt anliegenden Spannung. Somit erfolgt der bei Erreichen einer bestimmten Überspannung auftretende Überschlag zuerst an dieser Teilfunkenstrecke mit der kleineren Kapazität. Danach liegt an der anderen Teilfunkenstrecke nahezu die gesamte Spannung und somit wird der Überschlag auch an der nachfolgenden Teilfunkenstrecke größerer Kapazität eingeleitet. Unter Beibehaltung der Vorteile einer hohen Strombelastbarkeit und sicherer Lösung des Netzfolgestromes einer Mehrfachfunkenstrecke (siehe z. B. DE-PS 26 27 648 und DE-PS 31 01 354) wird aber die Gesamtansprechspannung einer solchen Anordnung im wesentlichen nur noch von der Ansprechspannung der Funkenstrecke kleinerer Kapazität bestimmt, während bei den vorbekannten Funkenstreckenanordnungen, bei denen alle Teilfunkenstrecken die gleiche Kapazität haben, sich die gesamte Ansprechspannung der Anordnung aus der Addition der Ansprechspannungen der einzelnen hintereinander geschalteten Teilfunkenstrecken ergab. Demgegenüber ergibt die Anordnung nach der Erfindung aufgrund der erfindungsgemäßen kapazitiven Spannungsaufteilung 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 Fertigungskosten nicht oder nur unwesentlich erhöhenden Gestaltungen einer solchen Funkenstreckenanordnung erreichen.

Eine bevorzugte Aufteilung des im Anspruch angegebenen Verhältnisses der Kapazitäten der Teilfunkenstrecken ist Gegenstand des Anspruches 2.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist Inhalt des Anspruches 3. Sie ermöglicht entsprechende Kapazitätsveränderungen durch Änderugnen der Größe der Flächen, die bestimmend für die Kapazität einer hiervon gebildeten Teilfunkenstrecke sind. Dabei können die Kapazitätsänderungen nur durch Unterschiede der diese Kapazitäten bestimmenden Flächen erreicht werden, während die Dicke und auch die Dielektrizitätskonstante der Isolierschichten der Teilfunkenstrecken einer Anordnung nach der Erfindung beibehalten 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 technischen Grenzen stößt, in dem geringe Dicken bei Stromableitungen Verschweißungen der Elektroden ergeben. Vom Prinzip her sind aber auch die Anordnungen gemäß Anspruch 8 und 9 möglich.

Die Ansprüche 4 und 5 beinhalten Ausführungen der Änderung der für die Kapazität maßgeblich effektiven Flächen der entsprechenden Elektroden. Es liegt aber auch im Bereich der Erfindung, die Abweichungen in den Kapazitäten der hintereinander geschalteten Teilfunkenstrecken gemäß Anspruch 6 auch durch Verwendung von Isoliermaterialien unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten zu erreichen. Eine weitere Möglichkeit der Kapazitätsänderung besteht darin, die Dicke der Isolierschichten der Teilfunkenstrecken einer Anordnung unterschiedlich zu wählen (siehe Anspruch 7).

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

Fig. 1: schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel im Längsschnitt,

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

Fig. 2: ein weiteres Ausführungsbeispiel im Längsschnitt,

Fig. 3: das elektrische Ersatzschaltbild von Funkenstreckenanordnungen (unmittelbar vor Ansprechen der Funkenstreckenanordnung) 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 Ausführungsbeispiel 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 bildet die erste Teilfunkenstrecke F1. 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 F22. Die elektrischen Anschlüsse 6 und 7 werden von den weiteren Stirnflächen 1′′, bzw. 3′′ der vorgenannten Anordnung gebildet, bzw. an diese gelegt. Somit liegen die Teilfunkenstrecken F1 und F2 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 F1 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 F2 mit bestimmen. Die Kapazität der Teilfunkenstrecke F1 ist somit größer als die der Teilfunkenstrecke F2. Dies ist in dem Ersatzschaltbild der Fig. 3 dargestellt. Bei Überschreiten der Ansprechspannung U_a der gesamten 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 U_F einer der Teilfunkenstrecken liegen soll. Dies wird in diesem Beispiel in der Weise erreicht, daß die Kapaztität C1 der Teilfunkenstrecke F1 so gewählt wird, daß an dieser Teilfunkenstrecke mit der Ansprechspannung U_F etwa 10% der an der Funkenstreckenanordnung anliegenden Gesamtspannung U anliegt, während an der Teilfunkenstrecke F2 (ebenfalls mit der gleichen Ansprechspannung U_F) und der Kapazität C2 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 F2 bereits bei U_a= · U_F überschlägt, dann die Gesamtspannung U=U_a praktisch an der Teilfunkenstrecke F1 liegt, und damit spontan auch ein Überschlag an der Teilfunkenstrecke F1 erfolgt. Die Ansprechspannung U_a der Funkenstreckenanordnung 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 befindlichen Teilfunkenstrecken F1 und F2 durch entsprechende Bemessung der die Kapazitäten mit bestimmten Flächen ist auch in anderer Weise möglich, wie es das schematische Beispiel 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 F2. Auch hierdurch ist erreicht, daß die Kapazität C1 der Teilfunkenstrecke F2.

Für die vorgenannte kapazitive Spannungsverteilung ist bevorzugt ein Kapazitätsverhältnis von C1 : C2 im Bereich von 5 : 1 bis 10 : 1 vorgesehen.

Bei den in Fig. 1, 2 dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt der Überschlag zwischen den umlaufenden Mantelflächen 12, 13 und 13, 14 im Beispiel 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 erfolgen, 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 ständigen Kurzschlußpfad bewirken. Weiterhin ändert sich mit Veränderung der Dicke a auch die Ansprechspannung der Teilfunkenstrecke. Daher ist die in diesen Ausführungsbeispielen 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 zwei Teilfunkenstrecken bestehenden Anordnung entsteht ein zweifacher Anoden-Kathoden-Spannungsfall. Dies begünstigt das Löschen des Netzfolgestromes.

Die Strombelastbarkeit einer solchen Funkenstreckenanordnung 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 Elektroden 2, 3 mit L′′ eingezeichnet. Hieraus ergibt sich, daß die umlaufende Mantelfläche 3 klein ist und damit die Stromtragfähigkeit der Funkenstreckenanordnung nach Fig. 2 geringer ist als die einer Funkenstreckenanordnung nach Fig. 1.

Claims (9)

1. Anordnung mit zwei, elektrisch in Reihe geschalteten Teilfunkenstrecken, insbesondere für die Begrenzung von Überspannungen in Niederspannungsanlagen, bestehend aus drei Elektroden, wobei für die Schaffung jeder Funkenstrecke zwei dieser Elektroden sich jeweils mit einer Fläche gegenüberliegen und durch eine Isolationsschicht voneinander im Abstand gehalten sind, wobei jede Teilfunkenstrecke an ihrer Isolierschichtgrenze 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 (C1, C2) der beiden Teilfunkenstrecken (F1, F2) derart unterschiedlich gewählt sind, daß eine der Teilfunkenstrecken (F2) nahezu die volle, an der Anordnung liegende Gesamtspannung (U) übernimmt und damit die Ansprechspannung der Anordnung im wesentlichen der Ansprechspannung (U_F) dieser Teilfunkenstrecke (F2) entspricht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Kapazitäten (C1 : C2) im Bereich von 10 : 1 bis 5 : 1 liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen der Kapazitäten (C1, C2) der einzelnen Funkenstrecken (F1, F2) voneinander durch Abweichungen der Größe der sich gegenüberliegenden und die jeweiligen Kapazitäten mit bestimmenden Flächen (1′, 2′ und 2′′, 3′) der zu der jeweiligen Teilfunkenstrecke gehörenden Elektroden (1, 2 und 2, 3) erzielt werden.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Flächen (1′, 2′) der Elektroden (1, 2) einer Teilfunkenstrecke (F1) zueinanderpassend eine oder mehrere Ausnehmungen (10, 11) und Vorsprünge (8, 9) aufweisen und auch im Bereich dieser Ausnehmung, bzw. Ausnehmungen (10, 11) und Vorsprung, bzw. Vorsprünge (8, 9) 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′) angepaßte Form besitzt.

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

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschichten (4, 5) jeweils unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten aufweisen.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken (a) der Isolationsschichten (4, 5) unterschiedlich sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kapazitäten (C1, C2) der Teilfunkenstrecken (F1, F2) mit bestimmenden Flächen gleich, dagegen die Dicken (a) der Isolationsschichten (4, 5) und/oder die Dielektriztitätskonstanten der Isolationsschichten (4, 5) ungleich sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kapazitäten (C1, C2) der Teilfunkenstrecken (F1, F2) mit bestimmenden Flächen und die Dicke (a) der Isolationsschicht und die Dielektrizitätskonstante der Isolationsschichten (4, 5) jeweils ungleich sind.