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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine technische Gebiet
der Vorrichtungen zum Schutz von Geräten oder elektrischen Anlagen
vom Typ Elektrogeräte,
Schaltungen oder Verteilernetze vor Störungen der elektrischen Energieversorgung.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist insbesondere eine Schutzvorrichtung
eines Verteilernetzes für
elektrische Energie vor Spannungsstörungen wie Überspannungen, die insbesondere
auf einen Blitzschlag zurückzuführen sind.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung eines
Verteilernetzes für elektrische
Energie vor Überspannungen,
die insbesondere auf einen Blitzschlag zurückzuführen sind, wobei diese Schutzvorrichtung
eine erste Elektrode aufweist, die elektrisch mit dem zu schützenden
Netz verbunden ist, eine zweite Elektrode, die mit einem Leiter
für das
Abfließen
zur Erde verbunden ist, und Fokussierungsmittel, die einen elektrischen
Bogen, der zwischen den zwei Elektroden erzeugt wird, zu einer Fraktionierungsvorrichtung
führen
können,
wobei die Vorrichtung ein Gehäuse
aufweist, in dem die zwei Elektroden, die Fokussierungsmittel und
die Fraktionierungsvorrichtung untergebracht sind, wobei dieses
Gehäuse
in Verbindung mit dem Äußeren steht
mit Hilfe von mindestens einem Ableitungskanal, der so konzipiert
ist, dass er die Temperatur der Gase, die durch das Bilden des elektrischen
Bogens erzeugt werden, wesentlich senkt.
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STAND DER TECHNIK
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Für den Schutz
der Verteilernetze für
elektrische Energie vor Überspannungen
wurden verschiedene Arten von Vorrichtungen in Erwägung gezogen. Insbesondere,
wenn eine Anlage gegen die Auswirkungen eines Blitzschlags in ihrer
unmittelbaren Nachbarschaft geschützt werden soll, lässt sich
bekanntlich ein Blitzschutz vom Typ Luftableiter an der Spitze dieser
Anlage anordnen.
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Eine
derartige Vorrichtung weist zwei Elektroden auf, wobei die eine
elektrisch mit der zu schützenden
Phase verbunden ist, und die andere mit einem Leiter für das Abfließen zur
Erde. Diese zwei Elektroden sind durch ein Luftplättchen oder
einen Zwischenraum aus dielektrischem Material getrennt. In Betrieb,
wenn ein Blitzstrom durch den zu schützenden Phasenleiter läuft und
eine Überspannung, die
einen vorgegebenen Wert erreicht, erzeugt, findet im Luftplättchen oder
entlang des dielektrischen Materials ein Durchschlag statt, und
zwischen den zwei Elektroden bildet sich ein elektrischer Bogen.
Der auf diese Weise entstandene Kurzschluss erlaubt das Abfließen des
Blitzstroms zur Erde.
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Der
Vorteil dieser Art von Blitzschutz besteht darin, dass er die Ableitung
sehr hoher Blitzströme von
mehreren zehn Kiloampere erlaubt. Allerdings weist eine derartige
Vorrichtung auch zwei wesentliche Nachteile auf.
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Der
erste Nachteil beruht auf der Tatsache, dass die Ableitung des Stroms
mit Hilfe eines elektrischen Bogens eine starke Entwicklung heißer Gase, ja
sogar von Flammen, zur Folge hat, wodurch die unmittelbare Umgebung
der Vorrichtung beschädigt werden
kann.
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Der
zweite Nachteil beruht auf der Tatsache, dass der erzeugte elektrische
Bogen einen Kurzschluss zwischen der Phase und Erde verursacht und
dass dieser elektrische Bogen nicht spontan nach dem Durchlauf des
Blitzstroms erlischt. Ein so genannter Folgestrom fließt dann
weiterhin zur Erde und kann die Außerbetriebsetzung der Anlage
bewirken.
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Um
den ersten Nachteil zu beheben, wurde insbesondere in der Druckschrift
DE-196 04 947 vorgeschlagen, die zwei Elektroden in einem dichten Gehäuse derart
einzukapseln, dass das Ausstoßen jedes
gefährlichen
Stoffes verhindert wird. Solche Vorrichtungen erlauben allerdings
keine wirksame Abschaltung des Folgestroms, denn ihre Leistungsfähigkeit überschreitet
nicht einige Kiloampere und ist im Allgemeinen von der Größe eines
Kiloampere.
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Um
den zweiten Nachteil zu beheben, wurde insbesondere in den Druckschriften
DE-44 35 968 und DE-44 39 730 vorgeschlagen, eine Fraktionierungsvorrichtung,
die in Form einer Einheit paralleler metallischer Platten gebildet
wird, in der Nähe
der Elektroden anzuordnen. Daneben sind ferner Fokussierungsmittel
vorgesehen, um den elektrischen Bogen zu dieser Platteneinheit,
in der er sich fraktionieren und abkühlen wird, zu führen, was
seine Löschung
und damit die Abschaltung des Folgestroms zur Folge hat. Solche
Schutzvorrichtungen sind jedoch nicht eingekapselt und verursachen
während ihres
Betriebs eine starke Flammenentwicklung. Die Druckschrift US-A 3
154 385 beschreibt insbesondere eine Schutzvorrichtung eines Verteilernetzes
für elektrische
Energie gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und 11 vor Überspannungen,
die insbesondere auf einen Blitzschlag zurückzuführen sind. Ferner ist aus der
Druckschrift EP-869 118 eine Vorrichtung bekannt, die mit einer
Kammer zur Kühlung
der durch den elektrischen Bogen erzeugten Gase versehen ist, wobei
die Kammer mit inneren Trennwänden
ausgestattet ist, welche die Aufenthaltszeit des Gases in der Kammer
verlängern
sollen. Die in dieser Druckschrift vorgeschlagene Anordnung weist
jedoch den Nachteil eines hohen Platzbedarfs auf, insbesondere hinsichtlich
der Dicke des Blitzschutzes, der in Bezug auf jene der herkömmlichen
Vorrichtungen auf Grund der Kammer überdimensioniert ist. Diese Überdicke
ist infolgedessen imstande, die Verbindung des Blitzschutzes auf
einer genormten Standardschalttafel zu stören.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
der Erfindung zugewiesenen Aufgaben zielen folglich darauf hin,
die zuvor aufgezählten
verschiedenen Nachteile zu beheben und eine neue Schutzvorrichtung
eines Verteilernetzes für
elektrische Energie vor Überspannungen
vorzuschlagen, die eine ausgezeichnete Kühlung der während des Betriebs erzeugten
heißen
Gase erlaubt und deren Gestaltung gleichzeitig einfach und zuverlässig ist.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung zielt darauf hin, eine neue Schutzvorrichtung
eines Verteilernetzes für
elektrische Energie vor Überspannungen vorzuschlagen,
die besonders kompakt ist und die an Standardanlagen angeschlossen
werden kann.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung zielt darauf hin, eine neue Schutzvorrichtung
eines Verteilernetzes für
elektrische Energie vor Überspannungen vorzuschlagen,
deren Sicherheitsniveau verstärkt
ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung zielt darauf hin, eine neue Schutzvorrichtung
eines Verteilernetzes für
elektrische Energie vor Überspannungen vorzuschlagen,
deren Aufbau besonders einfach und preiswert ist.
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Die
der Erfindung zugewiesenen Aufgaben werden mit Hilfe einer Schutzvorrichtung
eines Verteilernetzes für
elektrische Energie vor Überspannungen,
die insbesondere auf einen Blitzschlag zurückzuführen sind, gelöst, wobei diese
Schutzvorrichtung eine erste Elektrode aufweist, die elektrisch mit
dem zu schützenden
Netz verbunden ist, eine zweite Elektrode, die mit einem Leiter
für das
Abfließen
zur Erde verbunden ist, und Fokussierungsmittel, die einen elektrischen
Bogen, der zwischen den zwei Elektroden erzeugt wird, zu einer Fraktionierungsvorrichtung
führen
können,
wobei die Vorrichtung ein Gehäuse
aufweist, in dem die zwei Elektroden, die Fokussierungsmittel und
die Fraktionierungsvorrichtung untergebracht sind, wobei dieses Gehäuse in Verbindung
mit dem Äußeren steht
mit Hilfe von mindestens einem Ableitungskanal, der so konzipiert
ist, dass er die Temperatur der Gase, die durch das Bilden des elektrischen
Bogens erzeugt werden, wesentlich senkt, wobei der mindestens eine Ableitungskanal
eine Querschnittsänderung
aufweist.
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KURZDARSTELLUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere
Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden besser anhand der
folgenden Beschreibung deutlich und den beiliegenden Zeichnungen,
die ausschließlich
veranschaulichend und nicht einschränkend gegeben werden. Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung.
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2 eine
Schnittansicht gemäß der Linie II-II
der in der 1 dargestellten Schutzvorrichtung.
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3 eine
Querschnittsansicht einer anderen Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung 1, 101 eines
Verteilernetzes für elektrische
Energie vor Überspannungen,
die insbesondere auf einen Blitzschlag zurückzuführen sind, wobei diese Schutzvorrichtung
eine erste Elektrode 3 aufweist, die elektrisch mit dem
zu schützenden
Netz verbunden ist, eine zweite Elektrode 4, die mit einem Leiter
für das
Abfließen
zur Erde verbunden ist, und Fokussierungsmittel 5, die
einen elektrischen Bogen, der zwischen den zwei Elektroden erzeugt
wird, zu einer Fraktionierungsvorrichtung 6 führen können. Die
Vorrichtung weist ein Gehäuse 2, 102 auf,
in dem die zwei Elektroden 3, 4, die Fokussierungsmittel 5 und
die Fraktionierungsvorrichtung 6 untergebracht sind, wobei
das Gehäuse 2, 102 in
Verbindung mit dem Äußeren steht
mit Hilfe mindestens eines Ableitungskanals 7, 107,
der so konzipiert ist, dass er innere Hindernisse gegen die Freisetzung
von Flüssigkeit
und Rückständen aus
der Bildung des elektrischen Bogens zwischen den zwei Elektroden
aufweist.
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Somit
bildet jeder dieser Ableitungskanäle 7, 107 eine
Leitung, die einerseits die eventuellen glühenden Partikel im Inneren
des Gehäuses 2 zurückhalten
kann und andererseits die Senkung des Drucks und folglich der Temperatur
der durch das Bilden des elektrischen Bogens erzeugten Gase bewirken
kann. Außerdem
sind die Anlagen vor dem Folgestrom geschützt, denn eine solche Schutzvorrichtung
umfasst eine Fraktionierungsvorrichtung 6.
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Vorteilhafterweise
sind die inneren Hindernisse, die jeder der Ableitungskanäle 7, 107 aufweist, aus
mindestens einer Schikane 20, 120 gebildet, die einen
Winkel zwischen 45° und
180° bilden
kann, und/oder aus mindestens einer Querschnittsänderung.
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„Schikane" bezeichnet hier
eine Vorrichtung, welche die Richtung des Verlaufs der Gase verändert, um
deren Druckminderung zu gewährleisten. Eine
Schikane, die einen Winkel von 90° bildet,
entspricht daher einer im Wesentlichen rechtwinkligen Kurve, während eine
Schikane, die einen Winkel von 180° bildet, eine Kehrtwende der
Gase bewirken wird.
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Im
Rahmen der Erfindung können
die Schikanen vorteilhaft durch die Anordnung der Kanäle 7, 107 selber
ausgeführt
werden, indem man diese einer kurvigen Strecke folgen lässt.
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„Querschnittsänderung" bezeichnet hier
eine Variation des Querschnitts des Kanals selber, die durch Änderung
der Abmessungen der einen Kanal bildenden Leitung erreicht wird.
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Vorteilhafterweise
erstreckt sich der mindestens eine Kanal 7, 107 im
Wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Fraktionierungsvorrichtung 6.
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Mit
anderen Worten sind die Symmetrieachse der Fraktionierungsvorrichtung 6 und
die Symmetrieachse des mindestens einen Ableitungskanals 7, 107 im
Wesentlichen koplanar.
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Mittels
dieser Vorrichtung kann eine Schutzvorrichtung erhalten werden,
deren Dicke E im Wesentlichen nicht durch die Gasableitungselemente 7, 107 gesteuert
wird, sondern nur durch die „aktiven" Elemente wie die
Elektroden, die Fokussierungsvorrichtung und die Fraktionierungsvorrichtung.
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Vorzugsweise
ist die Fraktionierungsvorrichtung 6 zwischen den Fokussierungsmitteln 5 und dem
Eingang jedes der Ableitungskanäle 7, 107 angeordnet.
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Immer
noch vorzugsweise ist die Fraktionierungsvorrichtung 6 mit
Hilfe einer Einheit paralleler metallischer Platten 14 ausgeführt. Diese
können dann
voneinander mit Hilfe von zwei Plättchen 15 beabstandet
gehalten werden, welche Öffnungen
aufweisen, die seitliche Dorne 16 aufnehmen, die von jeder
der metallischen Platten 14 getragen werden.
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Vorteilhafterweise
definieren die Fokussierungsmittel 5 einen invers pyramidenförmigen Raum 10 zwischen
den Elektroden 3, 4 und der Fraktionierungsvorrichtung 6.
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Mit
anderen Worten definierten die Fokussierungsmittel 5 einen
Raum zur Bogenführung,
der im Wesentlichen eine allgemein in Richtung der Fraktionierungsvorrichtung
divergierende Form aufweist. Mittels dieser divergierenden V-Form
kann der elektrische Bogen in Richtung der Fraktionierungsvorrichtung 6 geführt und
weitergeleitet werden.
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Vorzugsweise
besteht das Gehäuse 2 aus
einem dielektrischen Material, wie beispielsweise einem wärmeaushärtenden
oder thermoplastischen Material wie Polycarbonat.
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Im
Folgenden wird die der 1 und 2 entsprechende
Ausführungsvariante
näher beschrieben.
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Eine
Schutzvorrichtung 1 gemäß der Erfindung,
so wie sie in 1 und 2 dargestellt
ist, wird ausgehend von einem Gehäuse 2 gebildet, das aus
einem dielektrischen Material gebildet ist, wie zum Beispiel einem
wärmeaushärtenden
oder thermoplastischen Material wie Polycarbonat. Dieses Gehäuse 2 weist
insbesondere zwei Elektroden 3, 4, Fokussierungsmittel 5,
eine Fraktionierungsvorrichtung 6 und zwei Ableitungskanäle 7 auf.
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Genauer
gesagt ist ein dielektrisches Teil 9 zwischen den Elektroden 3, 4 positioniert,
die in einem invers pyramidenförmigen
Raum 10 untergebracht sind, der durch die Fokussierungsmittel 5 begrenzt
ist. Letztere werden einerseits mit Hilfe von zwei leitenden Teilen 11 gebildet,
die auf ihren unteren Enden zum dielektrischen Teil 9 hin „V"-förmig geneigt
sind und konvergierend sind, und andererseits von zwei vertikalen
leitfähigen
Platten 12, die sich auf beiden Seiten des dielektrischen
Teils 9 gegenüberlie gen.
Eine isolierende Platte 13 ist vorteilhaft zwischen den
leitfähigen
Teilen 11 und den leitfähigen
Platten 12 angeordnet.
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Die
leitfähigen
Teile 11 verlängern
sich durch parallele Teile 17; die Fraktionierungsvorrichtung 6 ist im
Gehäuse 2 aus
den oberen Enden der Teile 11 vorstehend, zwischen den
Teilen 17 befestigt. Diese Fraktionierungsvorrichtung 6 ist
mit Hilfe einer Einheit paralleler vertikaler metallischer Platten 14 ausgeführt, die
voneinander mit Hilfe von zwei Plättchen 15, die sich
zu beiden Seiten der metallischen Platten 14 befinden,
beabstandet gehalten werden und welche Öffnungen aufweisen, die seitliche
Dorne 16 aufnehmen, die von jeder der metallischen Platten 14 getragen
werden. Diese Platten 14 sind im Wesentlichen parallel
zu den Teilen 17; der Abstand zwischen den Endplatten 14 und
den entsprechenden Teilen 17 ist im Wesentlichen identisch
mit dem Abstand, der die Platten 14 trennt. Die eine der
Elektroden 3, 4 ist mit dem zu schützenden
elektrischen Verteilernetz, die andere mit einem Leiter für das Abfließen zur Erde
verbunden.
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Die
zwei Ableitungskanäle 7 entsprechen Aussparungen,
die innerhalb des Gehäuses 2 vorgesehen
und symmetrisch bezogen auf eine vertikale Ebene sind, die durch
das dielektrische Teil 9 läuft. Sie weisen jeweils einen
horizontalen ersten Abschnitt 18 mit geringem Querschnitt
auf, der aus den obere Enden der Platten 14 vorstehend
am Ausgang der Fraktionierungsvorrichtung 6 gelegen ist.
Dieser erste Abschnitt 18 verwandelt sich in einen vertikalen zweiten
Abschnitt 19 mit erweitertem Querschnitt nach dem Durchlauf
durch eine Schikane 20, die einen Winkel von etwa 90° bildet.
Der zweite Abschnitt 19 mündet in einen vertikalen dritten
Abschnitt 21 mit einem noch größeren Querschnitt, der eine
Drehachse aufweist, die zum Rand des Gehäuses 2 bezogen auf
jenen des zweiten Abschnitts 19 verschoben ist. Schließlich mündet dieser
dritte Abschnitt 21 in einen vertikalen vierten Abschnitt 22 mit
geringem Querschnitt, der einerseits in freier Verbindung mit dem Äußeren des
Gehäuses 2 steht
und andererseits eine Drehachse aufweist, die zum Rand des Gehäuses 2 bezogen
auf jenen des dritten Abschnitts 21 verschoben ist.
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In
Betrieb, wenn ein Blitzstrom beispielsweise durch den Leiter des
zu schützenden
Netzes läuft und
eine Überspannung,
die einen vorgegebenen Wert erreicht, erzeugt, wird ein elektrischer
Bogen zwischen den beiden Elektroden 3, 4 gebildet.
Dieser elektrische Bogen wird dann mit Hilfe der Fokussierungsmittel 5 in
einer Weise zur Fraktionierungsvorrichtung 6 geführt, dass
der Folgestrom abgeschaltet wird. Außerdem werden die eventuellen
Freisetzungen von Flüssigkeit
und Rückständen, die
sich aus der Bildung des elektrischen Bogens ergeben, im Gehäuse 2 mit
Hilfe der Schikane 20 und den Querschnittsänderungen
zwischen den einzelnen Abschnitten 18, 19, 21, 22,
welche die inneren Hindernisse der Ableitungskanäle 7 bilden, zurückgehalten. Letztendlich
gibt diese Schutzvorrichtung 1 weder glühendes Material noch brennendes
Gas in ihre unmittelbare Umgebung frei. Aus diesem Grunde kann sie
in den meisten Anwendungen eingesetzt werden.
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Eine
andere Variante der Schutzvorrichtung 101 gemäß der Erfindung
ist in 3 dargestellt und unterscheidet sich von der Schutzvorrichtung 1 hauptsächlich durch
die Tatsache, dass sie mit einem Gehäuse 102 versehen ist,
das zwei Ableitungskanäle 107 von
komplexerer Form aufweist. Jeder Ableitungskanal 107 erstreckt
sich seitlich zur Fraktionierungsvorrichtung und ist mittels eines
horizontalen ersten Abschnitts 118 ausgeführt, der
am Ausgang der Fraktionierungsvorrichtung beginnt und sich, wie zuvor
dargestellt, in einen zweiten vertikalen Abschnitt 119 verwandelt,
der nach dem Durchlauf durch eine erste Schikane 120, die
einen Winkel von etwa 90° bildet,
abwärts
gerichtet ist. Dieser zweite Abschnitt 119 läuft an der Fraktionierungsvorrichtung entlang
und wird durch eine zweite Schikane 122 beendet, die einen
Winkel von der Größenordnung
45° bildet,
und mündet
in einen unteren Hohlraum 121, der in Richtung der Mitte
des Gehäuses 2 ausgerichtet
ist. Dieser Hohlraum 121 ist ebenso mit einem aufsteigenden
vertikalen dritten Abschnitt 123 verbunden, der sich parallel
zum zweiten Abschnitt 119 erstreckt, wobei der dritte Abschnitt
von im Wesentlichen gleicher oder ähnlicher Länge wie jene des zweiten Abschnitts 119 ist.
Der dritte Abschnitt 123 mündet nach dem Durchlauf durch
eine dritte Schikane 124, die einen Winkel von etwa 90° bildet,
in einen horizontalen vierten Abschnitt 125 mit verringertem Querschnitt,
der in freier Verbindung mit dem Äußeren des Gehäuses 102 steht.
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Abschrägungen können auf
jeder der Schikanen 120, 124 in einer Weise vorgesehen
werden, dass sie den Querschnitt des Kanals 107 ändern, indem
sie ihn verringern.
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Der
allgemeine Betrieb der Schutzvorrichtung 101 ist mit jenem,
der zuvor beschrieben wurde, vergleichbar.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
auf unabhängige
Weise eine Schutzvorrichtung (1, 101) eines Verteilernetzes
für elektrische
Energie vor Überspannungen,
die insbesondere auf einen Blitzschlag zurückzuführen sind, wobei diese Schutzvorrichtung eine
erste Elektrode (3) aufweist, die elektrisch mit dem zu
schützenden
Netz verbunden ist, eine zweite Elektrode (4), die mit
einem Leiter für
das Abfließen zur
Erde verbunden ist, und Fokussierungsmittel (5), die einen
elektrischen Bogen, der zwischen den zwei Elektroden erzeugt wird,
zu einer Fraktionierungsvorrichtung (6) führen können, wobei
die Vorrichtung ein Gehäuse
(2, 102) aufweist, in dem die zwei Elektroden,
die Fokussierungsmittel und die Fraktionierungsvorrichtung untergebracht
sind, wobei das Gehäuse
in Verbindung mit dem Äußeren mit
Hilfe von zwei Ableitungskanälen
steht, die im We sentlichen symmetrisch zu beiden Seiten der Fraktionierungsvorrichtung
angeordnet sind, wobei sich die zwei Kanäle im Wesentlichen in der gleichen
Ebene wie die Fraktionierungsvorrichtung erstrecken. Anhand dieser
vollkommen symmetrischen Gestaltung der Vorrichtung kann insbesondere
an Kompaktheit gewonnen werden.
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Obwohl
die Erfindung in Verbindung mit besonderen Ausführungsbeispielen beschrieben
wurde, versteht es sich selbstverständlich, dass sie in keiner
Weise darauf beschränkt
ist und alle technischen Äquivalenzen
der beschriebenen Mittel sowie ihre Kombinationen innerhalb des
Rahmens der Erfindung umfasst.
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MÖGLICHE INDUSTRIEANWENDUNGEN
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Die
Erfindung findet bei der Konzeption, Ausführung und den Einsatz von Vorrichtungen
zum Schutz vor Überspannungen,
die insbesondere auf einen Blitzschlag zurückzuführen sind, ihre industriellen
Einsatzmöglichkeiten.