EP1119890B1 - Funkenstreckenanordnung - Google Patents

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EP1119890B1
EP1119890B1 EP99948801A EP99948801A EP1119890B1 EP 1119890 B1 EP1119890 B1 EP 1119890B1 EP 99948801 A EP99948801 A EP 99948801A EP 99948801 A EP99948801 A EP 99948801A EP 1119890 B1 EP1119890 B1 EP 1119890B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spark gap
gap arrangement
chamber
intermediate chamber
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99948801A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1119890A1 (de
Inventor
Peter Hasse
Peter Zahlmann
Raimund König
Georg Wittmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dehn and Soehne GmbH and Co KG filed Critical Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Publication of EP1119890A1 publication Critical patent/EP1119890A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1119890B1 publication Critical patent/EP1119890B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/04—Housings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel

Definitions

  • the invention relates to an encapsulated spark gap arrangement for Use in power supply, especially in low-voltage networks with an arc chamber within which between two electrodes of the arcing occurs.
  • Powerful lightning current arresters with follow-current limiting properties such as those used in low-voltage networks to protect against lightning, encounter the hot, ionized gases produced in the spark gap (arc chamber) during the discharge process by the arc at a relatively high pressure in the form of a pressure wave over defined exit resp Outlet openings. This ensures that the resulting by the discharge process and the associated high energy consumption at the spark gap extreme pressure and temperature loads are reduced to the extent that such arresters can be accommodated in small, inexpensive device housings.
  • Such spark gap arrangements are known, for example from DE 196 19 334 A1, as well as content of the older but not previously published German patent application 197 17 802.
  • the arc chamber an intermediate chamber (storage chamber) downstream, whose volume is considerably greater than the volume the arc chamber, being used as a connection between the arc chamber and intermediate chamber a pressure-resistant, preferably metallic flow channel serves.
  • the intermediate chamber takes those produced in the arc chamber hot gases and decomposition products. During this caching There is a reduction of the pressure wave and a cooling. This cooled and dormant gas can then either be in the storage chamber remain or be delivered to the environment.
  • she is dealing with a spark gap arrangement with at least one outlet opening for the formed by the arcing, hot, under Compressed gases and is characterized in that the Intermediate chamber one or more outlet openings or channels for the gases.
  • Claim 2 gives a preferred ratio of volume size the arc chamber to the volume size of the intermediate chamber.
  • the subclaims 3 to 5 include possibilities that Heat dissipation and thus cooling effect of the intermediate chamber to amplify, taking in the case of the arrangement of quenching gas adding plastic evaporative cooling added. At the same time due to the successful cooling the reduced electrical conductivity of the effluent gases. This too is (see the above comments on the state of Technology) an advantage.
  • the invention also makes it possible to optimize by targeted coordination of individual measures, pressure and mass flow rate and temperature of the escaping gases or tune to application issues. This is the possible influence on the mass flow rate Of importance, which is determined or determined by the ratio of the inflow cross section of the gases in the intermediate chamber (and the gas quantity flowing therewith) to Ausströmquerites from the intermediate chamber (and thus the outflowing gas). In conjunction with a corresponding interpretation of the size of the volume of the intermediate chamber can thereby also the pressure wave of the exiting gases in their amplitude and slope are affected.
  • the outflow cross section of the gases from the intermediate chamber is much smaller than the inflow cross section of the gases into the intermediate chamber, so the gases remain in the intermediate chamber for a long time.
  • the intermediate chamber must then be sized in volume be that the whole, exploding in the arc chamber arising amount of gas to be collected by her can.
  • it is essential that the dimensioning of the inflow in the intermediate chamber is so small that it thereby in a sense comes to a "nozzle blockage" and the Gas flow practically comes to a halt. This decreases the Cooling effect and thus also the energy conversion in the arc, so that the pressure development remains relatively low.
  • the spark gap arrangement 1 consists in the schematic Representation of Fig. 1 of a one-piece housing 2, the an arc chamber 3, a flow-through channel 4, an intermediate chamber 5 and an outlet opening or an outlet channel 6 has. Not to understand the invention required parts, such as the electrodes are not shown in the drawing.
  • the flow channel 4 connects the arc chamber 3 with the intermediate chamber 5, while the outlet opening or the outlet channel (it can also be provided more outlet channels or openings be) the intermediate chamber 5 with the external environment the spark gap assembly 1 connects.
  • the pressure P1 and the temperature T1 in the arc chamber 3 are corresponding greater than the pressure P2 and the temperature T2 in the Intermediate chamber 5.
  • the considerably larger volume of the intermediate chamber 5 with discharge channel provided with the invention is not shown correctly in relation to the volume of the arc chamber 3 with flow channel 4. It would have to be the intermediate chamber 5 correspondingly larger or "voluminbücherr" drawn.
  • the preferred ratio of the volumes of 3 and 4 to the volumes of 5 and 6 is about 1:10.
  • the flow-through channel 4 may be nozzle-shaped.
  • the mass flow rate to be influenced. If 6 'is smaller than 4', although a larger amount of gas can exit at 4 'and enter the intermediate chamber 5; but while the smaller cross section 6 'prevents or slows the escape of the gases from the intermediate chamber.
  • the inner walls 5 'metallic and / or with a at Heating extinguishing gas dispensing plastic be occupied. Also there can be additional heat dissipation, such as cooling surfaces or cooling fins attached.
  • a spark gap arrangement according to the invention can either in one piece (see the embodiments) or in two pieces be. In the latter case, the first piece exists from the arc chamber 3 with flow channel 4 and the second piece from the intermediate chamber 5 with outlet channel. 6 Both are firmly connected together, e.g. by screwing their housing together.
  • the outlet channel 6 or corresponding outlet channels can with other means of reducing pressure and Be provided temperature of the gases. This can be, for example (not shown in the drawing) nozzle-shaped Be designs and / or other intermediate chambers.
  • FIG. 2 Another two-part design shows Fig. 2 with a one-piece housing 7 and two inserts 8 and 9, of which one the arc chamber 3 and the other the flow channel 4 has.
  • the outlet opening 6 is in this case laterally led out of the housing 7.
  • the two-part embodiment of FIG. 2 gives the advantage that the two items each according to their wear can be exchanged.
  • FIG. 3 is similar to that of FIG. 2, so that the reference numerals 7, 8 and 9 used again are.
  • POM gas issuing plastic
  • a metallic lining or encapsulation of the Interior of the chamber 5 may be provided.
  • These two variants, namely lining with a gas-releasing plastic and with a metallization or metal capsule can also combined in one and the same spark gap arrangement be provided. This depends on the requirements of each Application practice. Also, encapsulations would be plastic or ceramic possible.
  • Fig. 3 further shows that the flow channel 4 according to numeral 4 "is extended into the intermediate chamber 5 and there in lateral openings 11 ends, which the hot gases after left and right as well as up and down in the intermediate chamber 5 forward until it passes through a transverse bore 12 in reach the outlet channel 6.
  • This leadership of gases over longer distances (so-called “detours”) continue to cool down and pressure relief of the gases.
  • FIG. 4 a ball 13, under the pressure of a spring 14th is pushed upwards.
  • press in the Intermediate chamber 5 located gases from above against the ball.
  • the ball gives way Effect of the compression spring 14 down, so that the gases according to paragraph 16 can flow out.
  • the spring force 14 is so set that only at a maximum load, so only above a critical limit, the ball 13 the way the Gases from 15 to 16 are released and thus blow out can.
  • the blow-out process would only in rare Cases, e.g. an extremely large lightning or short-circuit current respectively.
  • the blow-off pressure e.g. in the aforementioned Opening a pressure relief valve as an indicator of a Compressive load, e.g. for a defect indication or defect message be used; so that in this case the operator initiate specified measures, at least the Check the arrester and the associated parts.
  • Such Indicators are shown in the embodiments of FIGS. 5 and 6.
  • the pressure generation by the Arc are used, a response of the spark gap to register or count.
  • This is a membrane 17 provided under the pressure 15 of the intermediate chamber 5 located gases when reaching a limit is bent down (see the dashed Line 17 '), thereby closing a switch 18 and thus causes a corresponding message.
  • this can be one Status message of the arrester.
  • the connection is a central one Evaluation unit possible.
  • the pressure generation used by the arc to be at a desired Pressure value both a pressure relief, as well as a To achieve signaling.
  • This is one of the ball 13th functionally corresponding, conical sealing part 19 provided under the action of springs 20 Gasströmweg 15/16 initially blocked until the pressure according to Paragraph 15 is so large that the cone 19 against effect the springs 20 moves down and hereby flow out the gas can.
  • With a corresponding lowering of the cone 19 comes a circuit board 21 to two contacts 22.
  • the Circuit of a signaling or signaling system for implementation such a message is closed. This only applies a small proportion of cases occurring in practice; while for 80-90% of the resulting overcurrents, in particular Bearer currents, the pressure relief valve in the closed position remains.
  • FIG. 7 consists of a pressure-resistant Housing 23, which has a bottom part 24 and a head part 25th includes frontally. Furthermore, here are an arc chamber 3, a flow passage 4, an intermediate chamber 5 and Routes 11, 12 for the exit coming from the channel 4 ago Gases at 6 provided. In this case, for reasons the structural simplification of the flow channel 4 the same diameter as the arc chamber 3rd

Landscapes

  • Circuit Breakers (AREA)
  • Spark Plugs (AREA)
  • Input Circuits Of Receivers And Coupling Of Receivers And Audio Equipment (AREA)
  • Gas-Filled Discharge Tubes (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine gekapselte Funkenstreckenanordnung zum Einsatz in der Stromversorgung, insbesondere in Niederspannungsnetzen mit einer Lichtbogenkammer, innerhalb derer zwischen zwei Elektroden der Lichtbogenüberschlag erfolgt.
Leistungsfähige Blitzstrom-Ableiter mit folgestrombegrenzenden Eigenschaften, wie sie in Niederspannungsnetzen zum Schutz gegen Blitzbeeinflussungen eingesetzt werden, stoßen die im Funkenstreckenraum (Lichtbogenkammer) während des Ableitvorganges durch den Lichtbogen produzierten heißen, ionisierten Gase mit relativ hohem Druck in Form einer Druckwelle über definierte Austritts- bzw. Ausblasöffnungen aus. Dadurch wird erreicht, daß die durch den Ableitvorgang und den damit verbundenen hohen Energieumsatz an der Funkenstrecke entstehenden extremen Druck- und Temperaturbelastungen soweit reduziert werden, daß solche Ableiter in kleinen, kostengünstigen Gerätegehäusen untergebracht werden können. Solche Funkenstreckenanordnungen sind beispielsweise aus DE 196 19 334 A1 bekannt, sowie Inhalt der älteren, aber nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 197 17 802. Bei derartigen Funkenstreckenanordnungen besteht aber durch die ausgestoßenen ionisierten und damit leitfähigen Gase für das unmittelbare elektrische Umfeld die Gefahr, daß unkontrolliert Störlichtbögen gezündet werden, welche die Verfügbarkeit der Anlage empfindlich herabsetzen können. Um dies auszuschließen, geben die Hersteller solcher Ableiter einen Sicherheitsabstand relativ zum Ableiter an, innerhalb dessen sich keine anderen elektrischen Betriebsmittel befinden dürfen. Dadurch entsteht der Nachteil, daß die oft günstigen, geringen Abmessungen der Ableiter selbst nicht effektiv in eine Platzersparnis in der Anwendung umgesetzt werden können. Zusätzlich ist zu beachten, daß die sich explosionsartig ausbreitende Druckwelle während des Ableitvorganges von dem gesamten Installationsumfeld (z.B. Verteilergehäuse) ebenfalls getragen werden muß. Vor allem diese Forderung erzwingt eine gezielte Auswahl der Installationsgehäuse nach diesen Kriterien, deren Wirksamkeit nur durch Blitzstromtests im Stoßstromlabor nachzuweisen ist. Deshalb empfehlen die Ableiterhersteller geeignete, zu diesem Zweck geprüfte Einbaugehäuse, die der Planer/Installateur verwenden muß. Dies schränkt den möglichen Projektspielraum erheblich ein und verursacht zusätzlich Prüfkosten. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Anwendungsfällen, wo die oben genannten Sicherungsmaßnahmen nicht realisiert werden können (z.B. Ex-Schutz). Ferner besteht die Möglichkeit einer Gefährdung von Personen durch die aus der Austrittsöffnung austretenden heißen, ionisierten Gase, sofern sich die betreffende Person zu nahe an einer solchen Öffnung befindet. Derartige Geräte sind dann trotz vorliegender Schutzbedürfnisse nicht einsetzbar.
Es sind zwar Lösungen bekannt (z.B. DE 195 06 057 A1), die auf hermetisch gekapselten, folgestromlöschfähigen Funkenstrecken basieren. Hiermit werden zwar all die Nachteile vermieden, die vorstehend zum Vorhandensein von Austrittsöffnungen und dem Austreten der unter Druck und hoher Temperatur stehenden Gase aus diesen Öffnungen erläutert sind. Allerdings besitzen hermetisch gekapselte Funkenstreckenanordnungen nur eine eingeschränkte Stoßstromtragfähigkeit bzw. ein für viele Anwendungsfälle unzureichendes Folgestromlöschvermögen. Sie sind also nicht sehr leistungsfähig. Darüber hinaus bedingen derartige Konstruktionen Hochleistungswerkstoffe und stellen erhebliche Anforderungen an die mechanische und thermische Belastbarkeit aller Konstruktionskomponenten.
Aus der EP 0 860 918 A1 ist ein Überspannungs-Ableiteinrichtung mit zwei in einem Gehäuse beabstandet voneinander angeordneten Elektroden vorbekannt, wobei das Gehäuse zumindest eine Ausströmöffnung für ionisierte Gase aufweist. Nach der dortigen Lehre soll zwischen den Elektroden und der mindestens einen Ausströmöffnung des Gehäuses eine von den ionisierten Gasen zu durchströmende Kammer angeordnet sein. Beim Durchströmen dieser Kammer erfahren die heißen ionisierten Gase eine Abkühlung, so daß selbige beim Austritt aus dem Gehäuse einen für mögliche Zerstörungen zu geringen Energiegehalt aufweisen. Auch sollen innerhalb der Kammer Strömungsleiteinrichtungen vorgesehen werden. Konkret wird in der EP 0 860 918 A1 erwähnt, daß die Größe der dortigen Ausströmöffnung so gewählt ist, daß die Gase genügend schnell ausströmen können, wobei sich kein unzulässig hoher Überdruck im Gehäuseinneren aufbauen soll.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte gekapselte Funkenstreckenanordnung zum Einsatz in der Stromversorgung, insbesondere in Niederspannungsnetzen, mit optimiertem Netzfolgestrom-Löschvermögen anzugeben, wobei die austretenden Gase nicht die im Stand der Technik gegebenen Nachteile bewirken.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Funkenstreckenanordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Es ist demnach der Lichtbogenkammer eine Zwischenkammer (Speicherkammer) nachgeschaltet, deren Volumen erheblich größer ist als das Volumen der Lichtbogenkammer, wobei als Verbindung zwischen Lichtbogenkammer und Zwischenkammer ein druckfester, bevorzugt metallischer Durchströmkanal dient. Die Zwischenkammer nimmt die in der Lichtbogenkammer produzierten heißen Gase und Zersetzungsprodukte auf. Während dieser Zwischenspeicherung erfolgt ein Abbau der Druckwelle und eine Abkühlung. Dieses abgekühlte und ruhende Gas kann anschließend entweder in der Speicherkammer verbleiben oder aber an die Umgebung abgegeben werden.
Dabei entsprechen diese Gase etwa den Umgebungsbedingungen, so daß auch Sicherheitsabstände, spezielle Installationsgehäuse und weitere, beim Stand der Technik vorgesehene Maßnahmen verzichtet werden kann. Diese Wirkungsweise ergibt sich insbesondere daraus, daß das Volumen der Zwischenkammer wesentlich größer ist als das Volumen der Lichtbogenkammer, womit sich beim Übergang der Gase in die Zwischenkammer deren Druck wesentlich abbaut. Zugleich sinkt in der Zwischenkammer die Temperatur dieser Gase ab. Ferner wird dieser Effekt noch durch den genannten Durchströmkanal erhöht, der aufgrund seines geringen Querschnittes das Durchströmen der heißen Gase aus der Lichtbogenkammer in die Zwischenkammer verzögert.
Gemäß der bevorzugten Ausführung der Erfindung befaßt sie sich mit einer Funkenstreckenanordnung mit zumindest einer Austrittsöffnung für die durch den Lichtbogenüberschlag gebildeten, heißen, unter Druck stehenden Gase und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkammer eine oder mehrere Austrittsöffnungen oder -kanäle für die Gase aufweist. Dies unterstützt die vorstehend geschilderte Kühlung und den Druckwellenabbau der ionisierten Gase, so daß diese die Zwischenkammer durch die genannten Austrittsöffnungen gezielt und unschädlich in die Umgebung verlassen können.
Anspruch 2 gibt ein bevorzugtes Verhältnis der Volumengröße der Lichtbogenkammer zur Volumengröße der Zwischenkammer an.
Die Unteransprüche 3 bis 5 beinhalten Möglichkeiten, die Wärmeableitfähigkeit und damit Kühlwirkung der Zwischenkammer zu verstärken, wobei im Falle der Anordnung von Löschgas abgebenden Kunststoffen noch eine Verdampfungskühlung hinzukommt. Zugleich wird aufgrund der erfolgten Kühlung die elektrische Leitfähigkeit der ausströmenden Gase reduziert. Auch dies ist (siehe die obigen Ausführungen zum Stand der Technik) ein Vorteil.
Die Erfindung ermöglicht es ferner, durch gezielte Abstimmung einzelner Maßnahmen, Druck und Massendurchsatz und Temperatur der austretenden Gase zu optimieren bzw. auf anwendungstechnische Belange abzustimmen. Hierzu ist die mögliche Beeinflussung des Massendurchsatzes
Figure 00060001
von Bedeutung, der durch das Verhältnis des Einströmquerschnittes der Gase in die Zwischenkammer (und der damit einströmenden Gasmenge) zum Ausströmquerschnitt aus der Zwischenkammer (und der damit ausströmenden Gasmenge) festgelegt bzw. bestimmt wird. In Verbindung mit einer entsprechenden Auslegung der Größe des Volumens der Zwischenkammer kann hierdurch auch die Druckwelle der austretenden Gase in ihrer Amplitude und Steilheit beeinflußt werden. Der Ausströmquerschnitt der Gase aus der Zwischenkammer ist sehr viel kleiner als der Einströmquerschnitt der Gase in die Zwischenkammer, so verweilen die Gase in der Zwischenkammer längere Zeit. Sie werden entsprechend weiter abgekühlt und erst nach dieser, längeren Verweilzeit an die Umgebung abgegeben. Durch diesen "Verweileffekt" wird die erläuterte Zwangskühlung in der Zwischenkammer erreicht, die noch durch zusätzliche wärmeabführende Maßnahmen verstärkt werden kann. Dabei sollte stets darauf geachtet werden, daß das Volumen des Hochdruckbereiches (Lichtbogenkammer und Durchströmkanal) wesentlich kleiner ist als das Volumen des Niederdruckbereiches (Zwischenkammer und Austrittsöffnungen). Gemäß Beschreibung der vorgenannten Maßnahmen und der Einstellung des Massendurchsatzes kann während der Folgestromlöschung eine Steuerung des Ausblasverhaltens dieser Funkenstreckenanordnung vorgenommen werden.
In der Praxis werden bei der Unterbrechung des Netzfolgestromes (Kurzschlußstromes) sich quasi stationäre Strömungsverhältnisse im Millisekundenbereich bilden. Die Zwischenkammer beeinflußt diese Strömungsverhältnisse nur gering. Bei folgestrombegrenzenden Funkenstrecken mit ihrem geringen Durchlaßintegral und damit geringem Leistungsumsatz ist es möglich, die gesamte in der Lichtbogenkammer produzierte Gasmenge in der Zwischenkammer zu speichern. Bei Realisierung einer ausreichenden Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil kommt auch die angestrebte Gasströmung hier nicht zum Erliegen, so daß man bei solchen Gerätetypen auf Austrittsöffnungen verzichten kann. Bei den im Mikrosekundenbereich liegenden Vorgängen der Blitzstromableitung (Stoßstromableitung) kommt der Größe der Zwischenkammer eine entscheidende Bedeutung zu, denn hierbei ist der Aufbau einer quasi stationaren strömung nicht möglich. In solchen Fällen setzt die erläuterte Wirkung der Erfindung ein. Die Zwischenkammer muß dann in ihrem Volumen so bemessen sein, daß die gesamte, explosionsartig in der Lichtbogenkammer entstehende Gasmenge von ihr aufgefangen werden kann. In dem Zusammenhang ist es wesentlich, daß die Dimensionierung des Einströmquerschnittes in die Zwischenkammer derart gering ist, daß es hierdurch gewissermaßen zu einer "Düsenverstopfung" kommt und die Gasströmung praktisch zum Erliegen kommt. Hiermit sinkt die Kühlwirkung und damit auch der Energieumsatz im Lichtbogen, so daß die Druckentwicklung relativ gering bleibt. Damit wird es möglich, zumindest bei kleineren Blitzströmen auch hier auf die Austrittsöffnungen zu verzichten.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung von erfindungsgemäßen Ausführungsmöglichkeiten zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1:
eine schematische Darstellung des Erfindungsprinzipes,
Fig. 2 und 3:
Ausführungsmöglichkeiten dieses Prinzipes,
Fig. 4 - 6:
Ausführung der Erfindung mit einer "Druck- bzw. "Überdruckeinrichtung".
Die vorstehenden Darstellungen jeweils im Querschnitt und ohne maßstabsgenaue Darstellung der Lichtbogenkammer und der Zwischenkammer.
Fig. 7:
eine für den Einsatz in der Praxis bestimmte Ausführungsform, ebenfalls im Querschnitt.
Die Funkenstreckenanordnung 1 besteht in der schematischen Darstellung der Fig. 1 aus einem einstückigen Gehäuse 2, das eine Lichtbogenkammer 3, einen Durchströmkanal 4, eine Zwischenkammer 5 und eine Austrittsöffnung bzw. einen Austrittskanal 6 aufweist. Zum Verständnis der Erfindung nicht erforderliche Teile, wie beispielsweise die Elektroden, sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Durchströmkanal 4 verbindet die Lichtbogenkammer 3 mit der Zwischenkammer 5, während die Austrittsöffnung bzw. der Austrittskanal (es können auch mehrere Austrittskanäle bzw. -öffnungen vorgesehen sein) die Zwischenkammer 5 mit der äußeren Umgebung der Funkenstreckenanordnung 1 verbindet. Der Druck P1 und die Temperatur T1 in der Lichtbogenkammer 3 sind entsprechend größer als der Druck P2 und die Temperatur T2 in der Zwischenkammer 5.
Aus Gründen der zeichnerischen Darstellung ist das mit der Erfindung vorgesehene, wesentlich größere Volumen der Zwischenkammer 5 mit Austrittskanal in Relation zu dem Volumen der Lichtbogenkammer 3 mit Durchströmkanal 4 nicht korrekt dargestellt. Es müßte an sich die Zwischenkammer 5 entsprechend größer bzw. "voluminöser" gezeichnet sein. Das bevorzugte Verhältnis der Volumina von 3 und 4 zu den Volumina von 5 und 6 beträgt etwa 1 : 10. Der Durchströmkanal 4 kann düsenförmig ausgebildet sein. Ferner kann durch Wahl seines Austrittsquerschnittes 4' (D1) in die Zwischenkammer und des Eintrittsquerschnittes 6' (D2) aus der Zwischenkammer in den Austrittskanal 6 der Massendurchsatz beeinflußt werden. Ist 6' kleiner als 4', so kann zwar bei 4' eine größere Gasmenge austreten und in die Zwischenkammer 5 eintreten; während aber der kleinere Querschnitt 6' den Austritt der Gase aus der Zwischenkammer verhindert bzw. bremst.
Zur Kühlung der in die Zwischenkammer 5 eingebrachten Gase können deren Innenwände 5' metallisch und/oder mit einem bei Erhitzung Löschgas abgebenden Kunststoff belegt sein. Auch können dort zusätzliche Wärmeabführungen, wie Kühlflächen oder Kühlrippen angebracht sein.
Eine Funkenstreckenanordnung nach der Erfindung kann entweder einstückig (siehe die Ausführungsbeispiele) oder zweistückig sein. Im letztgenannten Fall besteht das erste Stück aus der Lichtbogenkammer 3 mit Durchströmkanal 4 und das zweite Stück aus der Zwischenkammer 5 mit Austrittskanal 6. Beide sind miteinander fest verbunden, z.B. durch Verschraubungen ihrer Gehäuse miteinander.
Der Austrittskanal 6 bzw. entsprechende Austrittskanäle können mit weiteren Mitteln zur Reduzierung von Druck und Temperatur der Gase versehen sein. Dies können beispielsweise (in der Zeichnung nicht dargestellt) düsenförmige Gestaltungen und/oder weitere Zwischenkammern sein.
Eine weitere zweiteilige Ausführung zeigt Fig. 2 mit einem einteiligen Gehäuse 7 und zwei Einsätzen 8 bzw. 9, von denen einer die Lichtbogenkammer 3 und der andere den Durchströmkanal 4 aufweist. Die Austrittsöffnung 6 ist in diesem Falle seitlich aus dem Gehäuse 7 herausgeführt.
Die zweiteilige Ausführung nach Fig. 2 ergibt den Vorteil, daß die beiden Einzelteile jeweils entsprechend ihrem Verschleiß ausgetauscht werden können.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ähnlich dem der Fig. 2, so daß auch die Bezugsziffern 7, 8 und 9 wieder verwendet sind. Im übrigen ist hier das oben genannte Prinzip der "Verdampfungskühlung" dadurch realisiert, daß die Zwischenkammer 5 innenseitig mit einer Auskleidung 10 aus einem Gas abgebenden Kunststoff (POM) versehen ist. Statt dessen könnte auch eine metallische Auskleidung oder Kapselung des Innern der Kammer 5 vorgesehen sein. Diese beiden Varianten, nämlich Auskleidung mit einem Gas abgebenden Kunststoff und mit einer Metallisierung oder Metallkapsel können auch kombiniert bei ein und derselben Funkenstreckenanordnung vorgesehen sein. Dies hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendungspraxis ab. Auch wären Kapselungen aus Kunststoff oder Keramik möglich.
Fig. 3 zeigt ferner, daß der Durchströmkanal 4 gemäß Ziffer 4" in die Zwischenkammer 5 hinein verlängert ist und dort in seitlichen Öffnungen 11 endet, welche die heißen Gase nach links und rechts sowie nach oben und unten in die Zwischenkammer 5 weiterleiten, bis sie durch eine Querbohrung 12 in den Austrittskanal 6 gelangen. Diese Führung der Gase über längere Wege (sogenannte "Umwege") trägt weiter zur Abkühlung und Druckentlastung der Gase bei.
Schließlich kann der Austritt der Gase durch Verschlüsse in Art von Überdruckventilen gesteuert sein. So zeigt Fig. 4 eine Kugel 13, die unter der Druckwirkung einer Feder 14 nach oben gedrückt wird. Gemäß Ziffer 15 drücken die in der Zwischenkammer 5 befindlichen Gase von oben gegen die Kugel. Ab einem bestimmten Druck der Gase weicht die Kugel gegen Wirkung der Druckfeder 14 nach unten aus, so daß die Gase gemäß Ziffer 16 ausströmen können. Die Federkraft 14 ist so eingestellt, daß nur bei einer Maximalbelastung, also erst oberhalb einer kritischen Grenze, die Kugel 13 den Weg der Gase von 15 nach 16 frei gibt und das Ausblasen somit erfolgen kann. Damit würde der Ausblasvorgang nur noch in seltenen Fällen, z.B. eines extrem großen Blitz- oder Kurzschlußstromes erfolgen. Dagegen würde für den Fall kleiner Stoßströme, bzw. während der Unterbrechung kleiner Netzfolgeströme die gesamte, in der Lichtbogenkammer produzierte Gasmenge in der Zwischenkammer verbleiben. Auch hieraus ergibt sich, daß die vorstehend erläuterten Austrittsöffnungen bzw. -kanäle nicht unbedingt vorhanden sein müssen, sondern nur in solchen Fällen, in denen die in der Lichtbogenkammer gebildeten Gase nicht vollständig von der Zwischenkammer aufgefangen und abgekühlt werden können.
Im übrigen kann der Ausblasdruck wie z.B. beim vorgenannten Öffnen eines Überdruckventiles auch als Indikator einer Druckbelastung, z.B. für eine Defektanzeige oder Defektmeldung verwendet werden; so daß für diesen Fall der Betreiber der Anlage spezifizierte Maßnahmen einleiten, zumindest den Ableiter und die zugehörigen Teile überprüfen kann. Solche Anzeigen sind in den Ausführungen der Fig. 5 und 6 dargestellt. Im Fall der Fig. 5 soll die Druckerzeugung durch den Lichtbogen dazu benutzt werden, ein Ansprechen der Funkenstrecke zu registrieren bzw. zu zählen. Dazu ist eine Membran 17 vorgesehen, die unter dem Druck 15 der in der Zwischenkammer 5 befindlichen Gase bei Erreichen eines Grenzwertes nach unten durchgebogen wird (siehe die gestrichelte Linie 17'), hierdurch einen Schalter 18 schließt und somit eine entsprechende Meldung bewirkt. Zugleich kann dies eine Zustandsmeldung des Ableiters sein. Bei Grenzlastüberschreitungen können hierdurch auch Abschaltungen des Ableiters vorgenommen werden. Auch ist die Zuschaltung eines zentralen Auswertegerätes möglich.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 soll die Druckerzeugung durch den Lichtbogen benutzt werden, um bei einem gewünschten Druckwert sowohl eine Druckentlastung, als auch eine Signalisierung zu erreichen. Dazu ist ein der Kugel 13 funktionell entsprechender, kegelförmiger Dichtungsteil 19 vorgesehen, der unter der Wirkung von Federn 20 den Gasströmweg 15/16 zunächst versperrt, bis der Druck gemäß Ziffer 15 so groß wird, daß sich der Kegel 19 gegen Wirkung der Federn 20 nach unten bewegt und hiermit das Gas ausströmen kann. Bei entsprechender Absenkung des Kegels 19 kommt eine Schaltplatte 21 an zwei Kontakte 22. Hierdurch wird der Stromkreis einer Melde- oder Signalanlage zur Durchführung einer solchen Meldung geschlossen. Dies betrifft aber nur einen geringen Teil der in der Praxis vorkommenden Fälle; während für 80 - 90% der entstehenden Überströme, insbesondere Netzfolgeströme, das Überdruckventil in der Schließlage verbleibt.
Die Ausführung nach Fig. 7 besteht aus einem druckfesten Gehäuse 23, das einen Bodenteil 24 und einen Kopfteil 25 stirnseitig umfaßt. Ferner sind auch hier eine Lichtbogenkammer 3, ein Durchströmkanal 4, eine Zwischenkammer 5 und Leitwege 11, 12 für den Austritt der vom Kanal 4 her kommenden Gase bei 6 vorgesehen. In diesem Fall hat aus Gründen der konstruktiven Vereinfachung der Durchströmkanal 4 den gleichen Durchmesser wie die Lichtbogenkammer 3.

Claims (18)

  1. Gekapselte Funkenstreckenanordnung zum Einsatz in der Stromversorgung, insbesondere Niederspannungsnetzen und mit optimiertem Netzfolgestrom-Löschvermögen sowie mit einer Lichtbogenkammer (3), innerhalb derer zwischen zwei Elektroden der Funkenstrecke der Lichtbogenüberschlag erfolgt, wobei der Lichtbogenkammer (3) eine Zwischenkammer (5) nachgeschaltet ist, deren Volumen wesentlich größer ist als das Volumen der Lichtbogenkammer (3) selbst, und wobei weiterhin als Verbindung zwischen der Lichtbogenkammer (3) und der Zwischenkammer (5) ein druckfester, bevorzugt metallischer Durchströmkanal (4) vorgesehen und der Ausströmquerschnitt der Gase aus der Zwischenkammer (5) sehr viel kleiner als der Einströmquerschnitt der Gase in die Zwischenkammer (5) ist.
  2. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich die Größe des Volumens des Hochdruckbereiches, bestehend aus Lichtbogenkammer (3) und Durchströmkanal (4), zur Volumengröße des Niederdruckbereiches der Zwischenkammer (5) etwa wie 1 : 10 und die der Lichtbogenkammer (3) und der Zwischenkammer (5) wie 1 : 40 verhält.
  3. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zwischenkammer (5) innenseitig metallische Wände oder Metallschichtbelegungen aufweist.
  4. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dass die Wände der Zwischenkammer (5) innenseitig mit einem bei Erhitzung ein Löschgas abgebenden Kunststoff (10) belegt sind.
  5. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zwischenkammer (5) Mittel zur zusätzlichen Wärmeabführung aufweist.
  6. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 5,
    gekennzeichnet durch
    metallische Kühlerflächen oder Kühlrippen als Mittel zur zusätzlichen Wärmeabführung.
  7. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Durchströmkanal (4) düsenförmig ausgebildet ist und einen kleineren Durchmesser als die Zwischenkammer besitzt.
  8. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    durch eine Auslegung des Volumens der Zwischenkammer (5) und zugehöriger Dimensionierung des Austrittsquerschnitts (4') des Durchströmkanals (4) in Relation zum Eintrittsquerschnitt (6') der Austrittsöffnung bzw. des Austrittskanals (6) die Amplitude und die Steilheit der Druckwelle der in der Lichtbogenkammer (3) entstehenden Gase beeinflusst bzw. gesteuert wird.
  9. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    durch Wahl des Verhältnisses des Ausstromquerschnitts (4') des Durchströmkanals (4) zum Eintrittsquerschnitt (6 ') der Austrittsöffnung bzw. des Ausströmkanals (6) der Massendurchsatz m der Gase durch cie Funkenstreckenanordnung, insbesondere durch deren Zwischenkammer, festgelegt wird.
  10. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das vorgenannte Querschnittsverhältnis so groß gewählt wird, dass auch bei einem starken Stoßstrom praktische keine Gase mehr aus der Austrittsöffnung (6) austreten.
  11. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Volumen der Zwischenkammer (5) so groß gewählt ist, dass die gesamte durch die Zündung in der Lichtbogenkammer (3) entstehende Gasmenge von ihr aufgefangen wird.
  12. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zwischenkammer (5) mit den Austrittsöffnungen (6) entweder mit der Lichtbogenkammer (3) einstückig oder ein vom Gehäuse der Lichtbogenkammer getrenntes Bauteil ist, wobei zwischen beiden Bauteilen eine druckfeste mechanische Verbindung besteht.
  13. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in der Austrittsöffnung (6) weitere Mittel zur Reduzierung von Druck und Temperatur der ausströmenden Gase vorgesehen sind.
  14. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als weitere Mittel eine Düse und/oder weitere Zwischenbehälter in der Austrittsöffnung dienen.
  15. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Durchströmkanal in die Zwischenkammer (5) hineinragt und dort Führungen (11, 12) für das ausströmende Gas aufweist, die es nicht auf direktem Weg, sondern über "Umwege" zur jeweiligen Austrittsöffnung (6) leiten.
  16. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Austrittsöffnung bzw. die Austrittsöffnungen (6) in Art eines Überdruckventils mit einem durch Federwirkung (14; 20) in der Schließlage gehaltenen Abschlussteil (13; 19) nach außen abgeschlossen sind, und zwar derart, dass nur bei einem gewissen Überdruck der Gase eine Öffnung gegen Wirkung der Feder (14; 20) erfolgt.
  17. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Überdruckventil mit einer Defektanzeige, -meldung oder -abschaltung (21, 22) im Falle eines Überdrucks vorgesehen ist.
  18. Gekapselte Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17,
    gekennzeichnet durch
    eine druckbetätigte Meldeeinrichtung zur Umsetzung eines Druckereignisses in z.B. ein elektrisches Signal.
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