EP1542323A2 - Überspannungsschutzeinrichtung auf Funkenstreckenbasis, umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektroden - Google Patents

Überspannungsschutzeinrichtung auf Funkenstreckenbasis, umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektroden Download PDF

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EP1542323A2
EP1542323A2 EP04021959A EP04021959A EP1542323A2 EP 1542323 A2 EP1542323 A2 EP 1542323A2 EP 04021959 A EP04021959 A EP 04021959A EP 04021959 A EP04021959 A EP 04021959A EP 1542323 A2 EP1542323 A2 EP 1542323A2
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EP
European Patent Office
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protection device
overvoltage protection
voltage
spark gap
electrode
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EP04021959A
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English (en)
French (fr)
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EP1542323B1 (de
EP1542323A3 (de
Inventor
Peter Dr.-Ing. Zahlmann
Arnd Dr.-Ing. Ehrhardt
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Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/16—Overvoltage arresters using spark gaps having a plurality of gaps arranged in series
    • H01T4/20—Arrangements for improving potential distribution
    • 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
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
    • 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
    • H01T4/12—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel hermetically sealed

Definitions

  • the invention relates to a spark arrestor overvoltage protection device, comprising at least two located in a pressure-tight housing Main electrodes and at least one auxiliary ignition electrode, wherein in the housing volume a function module for reducing the response voltage the spark gap is housed, which with one of the main electrodes and the auxiliary ignition electrode is in communication, according to the preamble of claim 1
  • the starting aids for high-performance surge arresters are designed for use in low-voltage networks between L and N or else N and PE as active ignition aids.
  • These ignition aids generate a high ignition voltage with the aid of a pulse transformer, through which one of the partial sections is covered in a typical three-electrode spark gap arrangement.
  • the disadvantage of such a solution is on the one hand the sometimes considerable space requirement of the ignition aid, which usually consists of a plurality of components, and on the other hand, the resulting interference factors.
  • the design of the electrodes according to DE 101 57 817 A1 would also have to be relatively large, so that on the one hand the starting aid can be picked up and on the other hand the starting aid is protected from the action of temperature of the thermally heavily loaded electrodes. Furthermore, there is the need for frictional connection to produce reproducible distances of the partial spark gaps between the electrodes, whereby the ignition aid is not only thermally but also loaded by mechanical forces. Also occur strong dynamic loads between the electrodes in response to the spark gap. Further restrictions arise in this arrangement when used in a spark gap for network applications.
  • network spark gaps In contrast to the spark gap, network spark gaps must master and resolve secondary currents in the kA range, which not only causes further and in particular longer-acting thermal loads, but also corresponding consequential current-quenching or even consequential current-limiting measures have to be implemented. Particularly with regard to the possibilities for limiting the line following current in conventional dimensions of the surge arresters for grid application, which are generally smaller than separating spark gaps, an arrangement as presented in DE 101 57 817 A1 leads to extreme limitations in the choice of a suitable method for current limiting.
  • individual spark gaps have an ignition aid for pre-ionization.
  • This arrangement can be carried out at least partially encapsulated.
  • Such a type of spark gaps is only designed for low surge current loads of 8/20 ⁇ s and can not withstand the pressures and force effects of significant lightning surge currents.
  • the extinguishing capability for follow-on currents which is partially present in such an arrangement results for the most part from the series connection of a multiplicity of partial spark gaps, each with a starting aid.
  • the ignition aid is connected directly to the respective main electrodes of the spark gap. It has no third auxiliary electrode and there is no direct discharge directly between the main electrodes.
  • the type of preionization is based there on partial discharges, which spread over both sides of the surface of an existing insulation part.
  • a spark discharge as is commonly used in modern low-voltage arresters, does not exist because the auxiliary electrodes of the ignition aid are located on opposite sides of the insulator.
  • This form of ignition aid is sufficient at high potential differences of several kV for rapid ignition.
  • the response voltage is ⁇ 1 kV, such an embodiment of a starting aid is not efficient.
  • the entire Zündhne is exposed to the effect of the arc defenseless, which can lead to disruption in their function as well as to complete destruction.
  • WO 03/021735 A1 shows a simplified ignition aid for surge arresters, which can be located at least partially in the interior of the spark gap.
  • This ignition aid is based on a series connection of a voltage switching element and a so-called ignition element.
  • the response voltage of the arrester is advantageously determined by the voltage-switching element.
  • the main spark gap is ignited by the fact that after ignition of the voltage-switching element, a current flows through the ignition element, whereby a voltage is built up over the main spark gap.
  • the spark travels along the firing element and extends until the main spark gap rolls over.
  • the crucial component for safe operation is the so-called ignition element. This is located according to the operation directly in the combustion chamber of the arc. It is thus exposed not only to the ignition of an electrical load, but during the entire discharge process. Likewise, there is a burden on possible subsequent streams. This results in all known materials to considerable Abschmelzept. This affects in particular metals, but also polymers. Due to the strong dynamic loads, ceramics tend to crack rapidly or change their surface or total resistance as a result of metallic or other conductive deposits. However, this greatly determines the onset of sparking, the electrical load on the firing element and the onset, as well as the speed of arc migration along the firing element.
  • the inserted spring for making contact and tracking of the ignition element may possibly track in case of burning or demolition of the tip of the ignition element.
  • the spring can avoid neither a complete break of the ignition element after changes in the contact point due to the formation of melt on the electrode or on the ignition element or the deposits of impurities in the contact area.
  • the spring must also be protected from burn-off products and the thermal and dynamic stresses caused by the arc. With a small or even delayed sparking, however, increases the Zündverzugszeit the main spark gap.
  • this can significantly increase the electrical load on the voltage-switching element and also of the ignition element; on the other hand, the voltage across the ignition element and thus over the entire spark gap increases sharply. This also endangers the elements to be protected and the desired low residual voltage values of the lightning arrester.
  • the spark gap arrangement according to DE 199 52 004 A1 can be operated both with an active and with a greatly simplified passive ignition aid. These ignition aids are all outside the spark gap. Moreover, the Zünd Anlagenn consist of a variety of components, which should take over the task of fine protection. However, this requires relatively large and powerful components, whereby integration into the spark gap is difficult. However, the task of fine protection also requires a relatively high power consumption and an additional thermal load. In the passive ignition aid, which advantageously consists of only a few components, although the space requirement would reduce, but the problem of power conversion remains in the realization of fine protection.
  • a further disadvantage of DE 199 52 004 A1 is that the response of the overall arrangement is determined by the geometric design of the spark gap. In this case, the response voltage of the shorter separation path thus defines the response voltage of the entire arrester.
  • an overvoltage protection device on a spark gap basis in particular for low-voltage applications, comprising at least two in a pressure-tight Housing located main electrodes and at least one auxiliary ignition electrode indicate which possible sources of interference between ignition aid and Spark gap avoids and in principle in all known methods to the subsequent current deletion, follow current limiting or else the avoidance By subsequent currents can be used in spark gaps.
  • the to be specified So solution should be universal applications, regardless of the allow concrete electrode geometry.
  • the simplified one Ignition aid is preferably between two main electrodes and completely in pressure-resistant housing of the surge protector, i. in the spark gap itself integrated and becomes part of this.
  • the flameproof enclosure is designed for the control of pressures up to several 10 bar as a result of the strains of the spark gap during lightning and line flow. In case of a possible overload of the ignition aid, the damage potential is thus essentially limited by the flameproof enclosure of the spark gap. This also eliminates additional protective measures of the ignition itself, such. B. fuses or the like. A possibly desired evaluation of the state of the arrester is also greatly facilitated, since only the overall function, measurable at the outer terminals of the spark gap, and not individual components, connections and components must be monitored.
  • the Zündos function module for targeted Reducing the operating voltage of the spark gap from a completely in the pressure-tight housing integrated, outside the arc-combustion chamber located series connection of a voltage-switching element, a Impedance and a separation distance formed, the separation distance through the Distance of the auxiliary ignition electrode to the nearest main electrode defined is.
  • the voltage switching element may for example be a gas arrester. It is also possible, the voltage switching element as Suppressor diode, thyristor, varistor and / or as defined erosion-resistant air or To form the sliding spark gap.
  • the Zündangeselektrode can be designed even impedance-related and a possess complex resistance.
  • the auxiliary ignition electrode extends partially into the arc combustion chamber or is located in this.
  • the auxiliary ignition electrode may be made of a conductive plastic or a plastic with conductive additives, such as. B. conductive fibers.
  • the impedance in turn consists of a material with nonlinear or linear resistance curve.
  • the impedance can also be made of a conductive plastic or consist of a conductive ceramic.
  • an embodiment of the impedance as a discrete component for.
  • Resistor, varistor or capacitance lying within the meaning of the invention.
  • the auxiliary ignition electrode is insulated from the main electrode, wherein the Responsive voltages resulting to the main electrodes respectively Sections are chosen differently.
  • the response voltage e 1 of the first main electrode to the auxiliary ignition electrode is much larger than the response voltage of the further separation distance e 2 selected.
  • the overvoltage protection device has means for flowing the arc with hard gas.
  • Hard gas-emitting material surrounds at least for generating the hard gas Sections of the arc combustion chamber, wherein the hard gas-emitting material additionally has conductive properties to the potential of one of Main electrodes should be brought to the separation distance of the auxiliary ignition electrode.
  • a pressure compensation opening prevents that an undesirable increase in pressure accumulates over time.
  • the pressure equalization port may be formed by the housing or by electrode materials which are at least partially gas permeable.
  • portions of the housing may consist of a porous polymer material, porous ceramic or correspondingly porous metal.
  • the overvoltage protection device can in a further embodiment Have means for residual voltage limiting.
  • the resistance of the hard gas-emitting material is opposite the impedance of the series connection of the functional element lower.
  • the conductive, hard gas-releasing material contributes during the load Surge current as well as with subsequent currents a portion of the respective flowing total current, so that the reliability of the device according to the invention and increase their long-term stability.
  • the proportion of electricity taken over by the conductive, hard-gas-emitting material is about the ratio of the resistance of this material to Resistance value of the arc quasi adjustable.
  • the average value of the resistance of the conductive, hard gas-emitting Material chosen larger than the average, mean resistance value of the arc is.
  • the voltage-switching element and / or the discrete impedance can be integrated into one of the main electrodes.
  • one of the main electrodes an externally accessible cavity whereby, if necessary, an interchangeability of the voltage-switching Elements is guaranteed.
  • the voltage-switching element is inserted in the cavity isolated in one pole, wherein the cavity has an internal thread for receiving a, the used voltage-switching element contacting conductive screw having.
  • this is the arc combustion chamber reaching end of the auxiliary ignition electrode substantially the same Height of the end of the main electrode reaching into the combustion chamber, which is associated with the first separation line.
  • auxiliary ignition electrode laterally offset and / or based on the Arc main combustion chamber set back to protect this become.
  • a supplementary voltage-switching element which outside the Pressure-tight encapsulation can be a setting or adjustment the response voltage of the overvoltage protection device done.
  • the presented overvoltage protection device is also called Combination of a triggerable partial spark gap high response voltage and at least one downstream partial spark gap low response voltage realizable.
  • the partial spark gaps may include means for internal potential control.
  • the partial spark gaps are mechanically fixed and connected via spacers.
  • the spacers may consist of a conductive, field-controlling material.
  • the spacers and the electrodes of the partial spark gaps can at a Embodiment of the invention have a sheath, wherein the sheath a one-sided electrically connected shielding for targeted Potential distortion comprises or is designed as such itself.
  • the distance between the electrodes which is the partial spark gap with auxiliary ignition electrode form, is preferably chosen larger than the distance of the electrodes, which define the respective following partial spark gaps.
  • the spacer can for the non-triggerable by the Zündangeselektrode Partial spark gap as an integral component in the sense of manufacturing rationalization and easier to install.
  • Additional insulation or insulating materials are preferred provided in the outer region of the electrodes of the partial spark gap or arranged there.
  • the spacers point to their distance from the arc combustion chamber Side an insulation coating or insulation sheath on, what as complementary measure to avoid unwanted flashovers.
  • the spark gap according to the invention can be used as a horn spark gap or else run as a stacked spark gap.
  • the passive ignition aid 100 according to FIG. 1 is in the flameproof enclosure 5 of the spark gap integrated, which has two main electrodes 1 and 2. These main electrodes 1 and 2 are connected at e.g. metallic encapsulation 5 kept isolated from this.
  • the ignition aid 100 consists of a voltage-switching element 4, preferably a gas arrester, but also suppressor diodes, thyristors, Varistors, defined erosion-resistant separation lines or a combination these elements are suitable. Furthermore, the ignition aid 100 has an impedance-affected Ignition auxiliary electrode 3 on. There is also the possibility a discrete impedance 3a is present as a separate element.
  • impedance 3a are elements or materials such as plastics or ceramics with linear, but also with non-linear resistances or characteristic curves suitable.
  • this z. B. as Resistance, as a varistor, as a capacitor or even with materials corresponding characteristic of such components are executed.
  • the auxiliary ignition electrode or ignition electrode 3 is insulated from the two main electrodes 1 and 2.
  • the response voltages of the resulting partial spark gaps e 1 and e 2 are designed differently.
  • the response voltage of the distance e 1 , ie the main electrode 1 to the auxiliary ignition electrode 3 is much larger than the response voltage of the distance e 2 , formed by the distance of the main electrode 2 to the auxiliary ignition electrode.
  • the response voltage of the distance e 1 is at least equal, but generally higher than the response voltage of the voltage-switching element 4 of the ignition aid 100th
  • the response voltage of the distance e 2 is at most equal but generally lower than the response voltage of the voltage-switching element 4 of the ignition aid 100.
  • auxiliary starting electrode 3 is not made of an impedance-affected material, but from a low-resistance material, for.
  • a separate impedance 3a used which is then completely outside the direct action of the arc is.
  • the unavoidable burning of all parts in the arc combustion chamber can damage the auxiliary starting electrode 3 only partially. Since the arc erosion takes place on all sides in the entire combustion chamber of the spark gap, all the combustion chamber delimiting parts, including the auxiliary ignition electrode 3, are gradually burned off with their adjacent insulation parts. This ensures that the geometric proportions of all components remain largely the same after each load. As a result of uneven burning or as a result of contamination, however, damage to or bridging of the short insulation gap e 2 may also occur in this geometry. In particular, with almost all active external ignition aids this would virtually lead to short circuit of the pulse transformer and thus to failure or overloading the ignition aid. However, this is not the case with the design proposed here according to the exemplary embodiment.
  • the resulting impurities as well as the usually only partial contact bridges, which are formed by melting phenomena and due to the design of the components are only slightly, have a relatively high resistance and are eliminated by a low current flow.
  • the electrical parameters of the components integrated in the spark gap are given by the geometric dimensions.
  • the power turnover is also in favor of a simple one Construction of the contact points and also the thermal load of Insulation distances limited.
  • the performance of the ignition aid in the present embodiment is limited to small pulse powers.
  • Fig. 1 is a basic, simplified geometry of a possible spark gap arrangement shown. In this arrangement, only the ignition range is concerned, for simplification, no measures to follow current limit contain.
  • the main electrodes 1 and 2 are burned out in a conventional manner, electrically conductive materials such as metals, metallic alloys, Sintered metals, graphite, ceramics or composite ceramics.
  • auxiliary starting electrode 3 either itself from a material with increased impedance, e.g. Resistance material, electrically conductive plastic, plastic with filling material or with a separate impedance 3a in the form of a resistor connected is.
  • a material with increased impedance e.g. Resistance material, electrically conductive plastic, plastic with filling material or with a separate impedance 3a in the form of a resistor connected is.
  • auxiliary ignition electrode In the plastic material of the auxiliary ignition electrode can be used to set desired Impedance properties not only soot or graphite elements or Be contained metal or carbon fibers, but it is possible Microvaristors or nanotubes bring.
  • the main electrode 1 is via the voltage switching element 4, which a gas discharge tube, a gas discharge tube with microgap; a Spark gap, a separation line, a suppressor diode, a varistor or a combination of the aforementioned elements, with the impedance 3a or the auxiliary ignition electrode 3 within the outer pressure-resistant Encapsulation 5 of the spark gap connected.
  • the voltage switching element 4 which a gas discharge tube, a gas discharge tube with microgap; a Spark gap, a separation line, a suppressor diode, a varistor or a combination of the aforementioned elements, with the impedance 3a or the auxiliary ignition electrode 3 within the outer pressure-resistant Encapsulation 5 of the spark gap connected.
  • the three electrodes form two parting lines e 1 and e 2 , wherein e 2 has a significantly lower response voltage than the separation distance e 1 .
  • the response voltage of the subsection e 2 is equal to or less than the response voltage of the voltage switching element 4. Since the Gleichan Anlagenportion the entire arrester should be equal to or less than 1 kV, there are special requirements for the execution of the separation distance e 2nd This separation distance e 2 can z. B. by thin films of erosion-resistant materials or by temperature-resistant coatings, but also by means of special erosion-resistant paints can be realized.
  • a spark is produced between the auxiliary starting electrode 3 and the main electrode 2.
  • the current flows from the main electrode 1 via the impedance 3a, the auxiliary starting electrode 3 and the spark to the main electrode 2.
  • This spark brings charge carriers into the interior of the spark gap, whereby the dielectric strength of the separation distance e 1 is reduced very quickly.
  • the partial arcs over the separation lines e 1 and e 2 connect and the spark gap ignites between the main electrodes 1 and 2.
  • Fig. 2 shows a spark gap for network applications, in particular between L and N.
  • This spark gap is capable of higher arc voltages to create. These are in the present case by the flow of Arc realized with hard gas.
  • the effect can also be exploited by electrically conductive additives, such as metal fibers, carbon black, carbon fibers, microvaristors, nanotubes, metal particles, semiconductor particles or even per se conductive polymers, the potential of the main electrode 2 to lead to the separation distance of the auxiliary ignition electrode 3.
  • electrically conductive additives such as metal fibers, carbon black, carbon fibers, microvaristors, nanotubes, metal particles, semiconductor particles or even per se conductive polymers
  • the spark occurs between the auxiliary ignition electrode 3 and the conductive hard gas-emitting material 10 and can then extend very quickly to the main electrode 2 already or only after the rollover of the separation distance e 1 .
  • the arc length is increased and on the other hand, the arc cooled by the hard gas and flowed.
  • the operating voltage of the spark gap is from a pressure increase z. B. when using gas discharge arresters as a voltage-switching element 4 is not affected.
  • the distance between the two main electrodes can be extended without influencing the response voltage by using appropriately conductive materials 10.
  • the size of the conductive, hard gas-emitting part 10 is preferably chosen to be larger than the dimensions of the separation distance e 1 .
  • the amount of residual voltage in the spark gap arrangement according to FIGS. 1 and 2 can be classified into three ranges.
  • a first time range begins, as it were, after the voltage-switching element has responded and the separation gap e 2 flashes.
  • the impedance of all these elements determines the voltage drop across the arrester. If the, reduced by the pre-ionization strength of the distance e 1 is exceeded, there is a flashover between the main electrode 1 and the part 10. This results in a discharge of the ignition circuit and it reduces the residual voltage by the voltage drop across the ignition circuit. Now, the residual stress is determined essentially by the part 10.
  • the residual stress increases during this time Period as a function of the currently effective impedance and the pulse current at.
  • the residual stress therefore may take too high values, causing a Danger or even an overload of the downstream elements can occur.
  • the task of an effective residual voltage limiting is additionally transmitted to the conductive, hard-gas-emitting part 10.
  • a certain dimensioning of the resistance of the part 10 is required according to the embodiment.
  • a targeted influence on the course and the height of the residual stress can be done by the rest in addition to the electrical design of the part 10 by the geometric.
  • Is the resistance of member 10 chosen to be relatively high impedance relative to the impedance 3a the residual stress increases even after the breakdown of the separation distance s 1 to pass.
  • Is the resistance of the part 10, however, selected to be low relative to the impedance 3a the increase of the residual stress after the roll of the separating section can be reduced e 1, increasing the risk of a significantly reduced high residual voltage.
  • the effective effective resistance of the part 10 can be influenced by the material, the geometry of the part and the respective contact surface of the part 10 on the electrode 2. Equally effective, however, is the design of the transition region between the part 10 and the auxiliary ignition electrode 10 and the positioning of the main electrode 1. If the Zündangeselektrode 3 z. B. with a larger inner diameter than the part 10, it is compared to the part as quasi reset, there is a virtually larger contact surface on the part 10 for the spark between the main electrode 1 and the part 10 itself, resulting in a lower effective resistance of Part 10 sets. If the auxiliary ignition electrode is practically present in the arc combustion chamber, the resistance increases. It can also be carried out in the direction of the axes analogous measures of geometric design.
  • the height of the resistance of the part 10 e.g. as a hollow cylinder with an outer diameter of 18 mm, an inner diameter of 4 mm at one Height of 5 mm can be practically between several hundred k ⁇ and values be varied to about 1 ⁇ , without any negative effects the extinguishing capacity of the spark gap and the material selection.
  • the maximum limitation of the residual stress results, as explained, at lowest resistance values.
  • any reduction is not possible, because from certain values, the overall properties of the spark gap do not change favorably.
  • three dimensioning ranges for the mean value of the resistance of the conductive, gas-emitting part 10 can be recorded: Z Part 10 > Average value of the resistance of the arc during pulse and subsequent currents Mean value of the arc resistance at pulse currents ⁇ Z part 10 ⁇ mean value of the resistance of the follow current arc Z Part 10 ⁇ Average value of the resistance of the arc during pulse and sequence currents.
  • the resistance value of the part 10 of a spark gap according to FIGS. 2 or 3 acquires a special significance not only in the case of the residual voltage, but also by its effect in the subsequent current quenching.
  • the part 10 is in the described arrangements basically parallel to the arc or at least to portions of the arc. This applies to all loads in which the spark gap between the main electrode 1 and 2 is ignited.
  • the part 10 always takes over a portion of the total current both during the load with surge currents as well as the load with subsequent currents. The amount of this portion is dependent on the height of the resistance of the part 10 and the quasi-resistance of the arc.
  • the current-voltage characteristic of an arc is not linear but of numerous factors, i.a. the composition of the gas, Pressure, temperature and so on. These sizes are in one real spark gap u.a. through the geometry, the materials used and the electrical load determined. Because of all these sizes even with fixed spark gap geometry due to aging vary greatly, the exact arc curve is insufficient predict.
  • the resistance of the arc at the time of ignition and at the time of extinguishing in part is significantly increased. In this time range thus assumes the parallel resistance of the part 10 a correspondingly higher proportion of electricity or even the total current at low values ⁇ 10 ⁇ . The arc will thereby of course deprived of charge carriers, causing ionization goes back strong. This leads to premature extinction of the arc. Part 10 leads here the follow current up to the current zero crossing.
  • the mains voltage is in proportion to the driving voltage of the pulse current comparatively low and also dependent on the phase angle.
  • this leads in practice This is because the pulsed current arc often does not go directly into the line follow current arc but this only as a result of the reduced Disengage the switching path due to the pulse load ignite can.
  • the parallel resistance of the part 10 reduces due to its electrical conductivity virtually the voltage load of the switching path, whereby the ignition of the follow-up current arc can be prevented.
  • the follow-on current can completely be prevented or it flows to the other only a limited sequence current over the Part 10 until the current zero crossing. In this mode of action, the Extinguishing and igniting the tip of the arc avoided. This effect is a positive side effect, with the rest still no risk of injury of the part 10 is given regardless of the selected conductive material.
  • the resistance of the part 10 corresponds approximately to the resistance of the Following current arc, is with a strong current load of the part 10th to be calculated over the entire arc phase. It will therefore only such Materials used by a sustained current and temperature effect can not be harmed.
  • spark gaps in which a very effective follow current limiting is to be achieved i. at them the height of the arc voltage, the mains voltage after the latest reached a millisecond, has the arc resistance at follow-up current a value substantially between 0.5 and 1 ⁇ . Will this value from part 10, this leads on the one hand to a heavy burden of the part 10, however, on the other hand, the arc can be erased faster or it is an ignition preventable.
  • a safe operation and a hardly limited choice of material for the part 10 is given in particular when the average resistance of the part 10 is generally higher than the average resistance of the arc.
  • interpretations may be useful in which by lowering the average value of the resistance of the part 10 below the mean value of the resistance of the follow-current arc, an arc should be largely avoided in the follow-on current.
  • Conceivable here are conductive ceramics, composite materials, varistor material or the use of PTC material.
  • FIGS. 4 to 7 show further embodiments of the integrated system Ignition aid in combination with a spark gap with follow current extinction according to the hard gas principle.
  • the voltage-switching element 4 for protection against in particular thermal and mechanical loads directly into a recess the main electrode 1 integrated.
  • This recess can, for.
  • This hole can have an internal thread. By screwing one conductive screw can then be located in the cavity voltage switching Element 4 safely mechanically fastened and contacted.
  • one side of the voltage-switching Elements 4 is isolated from the main electrode 1 and an isolated Conductive connection or such a connection to the auxiliary ignition electrode. 3 consists.
  • the auxiliary starting electrode 3 is introduced into the arc combustion chamber at virtually the same level as the end of the main electrode 1 reaching the arc combustion chamber. This causes after the ignition of the main spark gap very quickly extinguishing the current in the ignition circuit, since this is practically no longer exposed to a potential difference.
  • the Zündoselektrode 3 is thus protected from direct arcing capacabbrand.
  • FIG. 6 shows a representation in which the auxiliary starting electrode 3 is offset laterally is arranged by the arc combustion chamber, which also has a special protected embodiment of the electrode 3 sets.
  • Electrode distance, z. B. corresponding to FIG. 2 in a symmetrical or unbalanced arrangement in a known manner with horn-like Spark gaps can be provided.
  • the forming follow-current arcs can be known after the extension of the horns be supplied to a variety of extinguishing systems.
  • Hard-gas-releasing substances can be partially or completely replaced by electrically conductive substances with linear, but also with non-linear characteristics.
  • This can z. B. pressure-resistant conductive ceramics, fiber ceramics or composite materials with conductive components or else, for example, materials with varistor characteristic or a PTC characteristic.
  • the pressure build-up is due to the limited internal volume z. B. realized in a cylinder.
  • a sandwich solution can be used.
  • a porous basic structure eg. B. of conductive ceramic with gas-emitting substances, eg. B. POM to fill.
  • the ignition aid explained above is also in one embodiment can be used with several partial spark gaps and restricts the use the well-known methods for controlling the potential of the partial spark gaps not a.
  • arresters with a series connection of partial spark gaps usually also have externally connected means for potential control.
  • This can be impedances, capacitances, linear and non-linear resistances, their combinations or also additional external spark gaps, which are likewise used for potential control.
  • these elements and their contact points to the individual partial spark gaps is a risk factor, as a result of very high pulse steepnesses or poor or aged contact making it to partial or complete external arcing and thus to Destruction of the arrester can come. So if it is safe to ignite an arrester of the type mentioned with a starting aid and a response value ⁇ 1 kV, not only the actual ignition aid, but also the potential control must be performed safer than usual.
  • individual electrode of the partial spark gaps 20 are separated by spacers 21.
  • the material of this spacer 21 can be made of conductive or field controlling material up to the distance or distances, which is provided with a starting aid.
  • an outer casing of the actual spark gaps can be connected to an isolated, unilaterally connected screen for potential distortion 22.
  • the partial spark gap with the ignition aid from the parts 3, 3a and 4 is designed so that, despite possibly occurring contamination, in particular by the burning of the ignition electrode, is able to control the burden of the recurring mains voltage alone after the response of the spark gap ,
  • the distance of the electrodes 22 and 23 of the triggerable via the ignition aid partial spark gap is increased compared to the distance of the other partial spark gaps.
  • a material with high instantaneous solidification can be selected.
  • the material of the remaining sections should have a low erosion and a high electrode drop voltage.
  • the spacers 21 may be made of electrically conductive polymers or ceramics consist. Their resistance characteristics can be linear, as well be nonlinear.
  • the material of the spacer 21 in addition to certain dielectric properties, whereby a capacitive control is possible in addition also be provided with micro varistors, resulting in a better potential-controlling effect especially at high slopes.
  • the individual electrically conductive contact holders can also be provided or executed on one or both sides with a thin insulation layer or a defined poor contact. Although this requires a minimum operating voltage of z. B. some 10 V, but promotes the faster escape of the arc from the material and the sparking ionization of the partial spark gap and thus the ignition of the entire spark gap.
  • the described measures for potential control can also be used to reduce the response voltage of the partial spark gaps 20 by known from the field of gas discharge arresters measures such. B. the use of special gases or activation measures are supported.
  • the individual spacers 21 of the non-triggerable Partial spark gaps are replaced by a common spacer.
  • an electrically conductive embodiment of the spacer 21 is to it Make sure that the conductive material is not through the flowing partial flow overloaded. This can be partly due to the material selection and the but also by the geometric design in the sense of thickness and the contact surface are affected.
  • the 10 shows a design variant in which jointly or alternatively applicable measures are used in order to further reduce the probability of an undesired external flashover.
  • additional insulation measures are carried out in the outer region of the electrodes.
  • the electrodes of the partial spark gaps may be provided with insulating material 25 in the outer region.
  • the inner diameter of the isolated area is to be selected larger than the inner diameter of the spacers 21.
  • the spacers 21 may further also be surrounded on the outer circumference with a ring of insulating material 26.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung auf Funkenstreckenbasis, insbesondere für Niederspannungs-Anwendungen, umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektroden sowie mindestens eine Zündhilfselektrode, wobei im Gehäusevolumen eine Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke untergebracht ist, welche mit einer der Hauptelektroden und der Zündhilfselektrode in Verbindung steht. Erfindungsgemäß besteht die Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke aus einer vollständig in das druckdichte Gehäuse integrierten, außerhalb des Lichtbogen-Brennraums befindlichen Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elements, einer Impedanz und einer Trennstrecke, wobei die Trennstrecke durch den Abstand der Zündhilfselektrode zur nächstliegenden Hauptelektrode gebildet ist. Beim Auftreten einer Überspannung, welche die Summe der Ansprechspannungen des Schaltelements und der Trennstrecke übersteigt, fließt ein Strom von der ersten Hauptelektrode zur zweiten Hauptelektrode, mit der Folge, dass der die Trennstrecke überbrückende Lichtbogen Ladungsträger zur sofortigen Ionisation der Trennstrecke zwischen den Hauptelektroden bereitstellt, wodurch die Spannungsfestigkeit dieser Trennstrecke verringert ist und aufgrund des mit der Stromstärke steigenden Spannungsabfalls an der Impedanz ein Überschreiten der reduzierten Spannungsfestigkeit der Trennstrecke zwischen den Hauptelektroden eintritt, wodurch das gewünschte Zünden der Funkenstrecke erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung auf Funkenstreckenbasis, umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektroden sowie mindestens eine Zündhilfselektrode, wobei im Gehäusevolumen eine Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke untergebracht ist, welche mit einer der Hauptelektroden und der Zündhilfselektrode in Verbindung steht, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Der Trend bei der Entwicklung elektrischer und elektronischer Anlagen geht hin zu größerer Kompaktheit und geringeren Außenabmessungen. Gleichzeitig steigt aber die Empfindlichkeit gegenüber inneren und äußeren Überspannungen derartiger Anlagen. Darüber hinaus besteht der Wunsch und auch die Notwendigkeit nach einem möglichst störungsfreien Betrieb von elektrischen und elektronischen Einrichtungen, woraus sich neue Anforderungen an die Überspannungsschutztechnik ergeben.
So sind Überspannungsableiter mit reduzierter Ansprechspannung z. B. aus der DE 199 52 004 A1 oder der DE 198 03 636 A1 bekannt geworden. Um die Anlagen noch kompakter zu gestalten, verstärkt sich in den letzten Jahren die Tendenz, Blitzstromableiter zum Grobschutz und Überspannungsableiter zum Feinschutz ohne die früher übliche Entkopplung über Kabelstrecken bzw. durch speziell bemessene Induktivitäten direkt räumlich nebeneinander anzuordnen.
Damit das leistungsschwächere Feinschutzelement nicht zwangsweise bei einer solchen kompakten Anordnung überlastet wird, ergeben sich spezielle Anforderungen an den Blitzstromableiter bzw. das Grobschutzelement.
Zur Realisierung dieser Aufgabenstellung wurde es bekannt, separate und extern an die Blitzstromableiter auf Funkenstreckenbasis angekoppelte, zum Teil recht komplexe Zündhilfen einzusetzen. Gemäß DE 199 52 004 A1 übernehmen diese Zündhilfen unter bestimmten Bedingungen auch Funktionen oder Teilfunktionen des Feinschutzes.
Im Allgemeinen sind die Zündhilfen bei leistungsfähigen Überspannungsableitern für den Einsatz in Niederspannungsnetzen zwischen L und N bzw. auch N und PE als aktive Zündhilfen ausgeführt. Diese Zündhilfen generieren mit Hilfe eines Impulsübertragers eine hohe Zündspannung, durch welche bei einer typischen Dreielektroden-Funkenstreckenanordnung eine der Teilstrecken überschlagen wird.
Nachteilig bei einer solchen Lösung ist einerseits der zum Teil beachtliche Platzbedarf der Zündhilfe, die in der Regel aus einer Vielzahl von Bauelementen besteht, und andererseits die sich daraus ergebenden Störfaktoren.
Der Platzbedarf dieser Zündeinrichtung schränkt bei den relativ geringen Abmessungen der Überspannungsableiter die konstruktiven Möglichkeiten für das Hauptfunktionselement, nämlich die eigentliche Funkenstrecke ein. Diese Einschränkung betrifft nicht nur das allgemein zur Verfügung stehende Volumen, sondern auch die Notwendigkeit der erforderlichen zusätzlichen Kontaktierung einer dritten Elektrode.
Gegenüber einer einfachen Funkenstrecke ohne Zündhilfe ergibt sich derzeit eine Vielzahl an zusätzlichen Störquellen.
In der Funkenstrecke an sich muss nicht mehr nur die Funktion einer Trennstrecke gewährleistet werden, sondern die Funktion von zwei oder sogar drei Trennstrecken zwischen der Dreielektroden-Anordnung. Kommt es zu Schädigungen einer dieser Trennstrecken, besteht die Gefahr des Versagens des Ableiters. Hierbei kann es zu Schäden innerhalb der Funkenstrecke, aber auch der Zündhilfe selbst kommen. Dies kann insbesondere bei Überlastungen der Zündhilfe schnell zu einer Zerstörung des gesamten Ableiters und zu einer Gefährdung benachbarter Elemente führen. Selbiges ist jedoch nicht nur bei Beschädigungen innerhalb der Funkenstrecke, sondern auch bei Störungen wie Erschütterungen, Schwingungen, Abbrand, mangelhafte Installation und so weiter, Beschädigungen oder Korrosion der Kontakte der Zündeinrichtung mit den Hauptanschlüssen bzw. den Verbindern zur Funkenstrecke durchaus möglich.
Schlechte oder gealterte Kontaktstellen können außerhalb der Funkenstrecke zur Funkenbildung und letztendlich zum Außenüberschlag der Funkenstrecke führen.
Zwar gibt es durchaus Möglichkeiten, die Zündhilfen vor Überlastung zumindest teilweise zu schützen, jedoch bedeuten solche Maßnahmen, wie beispielsweise in der DE 199 14 313 A1 gezeigt, nur weiteren, kostenintensiven Aufwand und Platzbedarf.
Bei all den oben erläuterten Schwierigkeiten ist jedoch eine Zündhilfe für gewünschte tiefe Schutzpegel unabdingbar. Die allgemeine Reduktion des Abstands der Hauptelektroden, wie dies bei älteren Geräten des Standes der Technik der Fall war, ist bei modernen Ableitern nicht zielführend, da bei den üblichen geometrischen Bedingungen die erforderlichen Abstände nicht realisierbar sind bzw. diese eine deutliche Verschlechterung der erreichbaren Stoßstromwerte bedeuten.
Bei der gattungsbildenden DE 101 57 817 A1 wird eine Anordnung für eine Trennfunkenstrecke vorgestellt, bei welcher eine konventionelle aktive Zündhilfe mit einem Impulsübertrager in einem von den Elektroden kammerförmig umschlossenen Gehäuse integriert ist.
Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass eine aktive Zündhilfe notwendig ist, wodurch der Platzbedarf und die Störanfälligkeit steigen. Diese sichere Funktionsweise aktiver Zündhilfen wird z.B. unter anderem durch Veränderung der Ansprechwerte und des Isolationswerts der einzelnen Trennstrecken gestört. Da diese Erscheinungen mit der Anzahl und der Höhe der Belastungen zunehmen, kann dies zur thermischen Überlastung bzw. sogar zum Versagen der Zündhilfe führen. Die Gefahr der thermischen Überlastung erhöht sich bei der oben erwähnten Anordnung zusätzlich durch die mangelnde Kühlung bzw. auch durch die Aufheizung infolge des Leistungsumsatzes in der Funkenstrecke und damit der Zündeinrichtung bei Belastungen.
Die Ausführung der Elektroden gemäß DE 101 57 817 A1 müsste zudem relativ groß sein, damit einerseits die Zündhilfe aufgenommen werden kann und andererseits die Zündhilfe vor einer Temperatureinwirkung der thermisch stark belasteten Elektroden geschützt ist. Des weiteren besteht die Notwendigkeit des Kraftschlusses zur Herstellung reproduzierbarer Abstände der Teilfunkenstrecken zwischen den Elektroden, wodurch die Zündhilfe nicht nur thermisch, sondern auch durch mechanische Kräfte belastet wird.
Ebenfalls treten starke dynamische Belastungen zwischen den Elektroden beim Ansprechen der Funkenstrecke auf. Weitere Einschränkungen ergeben sich bei dieser Anordnung bei dem Einsatz in einer Funkenstrecke für Netzanwendungen. Im Gegensatz zur Trennfunkenstrecke müssen Netzfunkenstrecken Folgeströme im kA-Bereich beherrschen und lösen, wodurch nicht nur weitere und insbesondere länger einwirkende thermische Belastungen auftreten, sondern auch entsprechende Folgestrom löschende bzw. sogar Folgestrom begrenzende Maßnahmen realisiert werden müssen. Insbesondere hinsichtlich der Möglichkeiten zur Begrenzung des Netzfolgestroms in konventionellen Abmessungen der Überspannungsableiter für Netzanwendung, welche im Allgemeinen kleiner als Trennfunkenstrecken sind, führt eine Anordnung, wie in der DE 101 57 817 A1 vorgestellt, zu extremen Einschränkungen bei der Wahl einer geeigneten Methode zur Strombegrenzung.
In der DE 195 10 181 A1 wird eine Zündhilfe aus einer ersten Funkenstrecke, welche der Zündung eines Überschlags dient, und einer zweiten Funkenstrecke, welche der ersten parallel geschaltet ist und der Löschung des Folgestroms dient, vorgestellt. Weiterhin wird dort auf die Integration einer passiven, einfachen Zündhilfe in einer Funkenstrecke verwiesen. Bei den dargestellten Funkenstrecken dient die erste Funkenstrecke der Einstellung der Ansprechspannung und der entstehende Funke der Vorionisation der zweiten, längeren und stromtragfähigeren Funkenstrecke. Infolge der Vorionisation und des Spannungsabfalls über der mit der Funkenstrecke in Reihe geschalteten Impedanz wird die zweite Funkenstrecke gezündet. Die zweite Funkenstrecke besitzt im Gegensatz zur ersten Funkenstrecke eine hohe Stoßstrom-Tragfähigkeit und ein gutes Folgestrom-Löschvermögen.
Nachteilig ist bei dieser Lösung jedoch, dass die erste Funkenstrecke den thermischen Belastungen infolge des Lichtbogens und auch den Verunreinigungen infolge der Belastungen ausgesetzt ist. Das Einhalten von niedrigen und nahezu konstanten Ansprechspannungen wird hierdurch erschwert oder unmöglich. Bei einer räumlich getrennten Anordnung von erster und zweiter Funkenstrecke kann zwar die Einhaltung eines niedrigen Ansprechwerts gewährleistet werden, nachteilig ist jedoch, dass auf die Vorionisation der zweiten Funkenstrecke zur Herabsetzung der Ansprechspannung verzichtet werden muss. Dadurch muss der Spannungsabfall über der Impendanz bis zum Erreichen der unverminderten Ansprechspannung der zweiten Funkenstrecke erhöht werden. Sollen niedrigere Ansprechwerte der gesamten Funkenstrecke erreicht werden, wird die Wahl und die Leistungsfähigkeit der zweiten Funkenstrecke nach DE 195 10 181 C1 eingeschränkt.
Gemäß der Stapelfunkenstrecke für Mittel- und Hochspannungsanwendungen nach US 3,223,874 weisen einzelne Funkenstrecken eine Zündhilfe zur Vorionisation auf. Diese Anordnung kann zumindest teilgekapselt ausgeführt werden. Eine derartige Art der Funkenstrecken ist jedoch nur für geringe Stoßstrombelastungen 8/20 µs ausgelegt und kann den Drücken und den Krafteinwirkungen von nennenswerten Blitzstoßströmen nicht standhalten. Das bei einer solchen Anordnung teilweise vorhandene Löschvermögen für Folgeströme resultiert zum größten Teil aus der Reihenschaltung einer Vielzahl von Teilfunkenstrecken mit jeweils einer Zündhilfe. Ein solcher Aufwand ist für Niederspannungsanordnungen jedoch nicht gerechtfertigt.
Die Zündhilfe ist direkt mit den jeweiligen Hauptelektroden der Funkenstrecke verbunden. Sie besitzt keine dritte Hilfselektrode und es erfolgt keine direkte Entladung unmittelbar zwischen den Hauptelektroden. Die Art der Vorionisation beruht dort auf Teilentladungen, welche sich über beide Seite der Oberfläche eines vorhandenen Isolationsteils ausbreiten. Eine Möglichkeit zu einer Funkenentladung, wie sie üblicherweise bei modernen Niederspannungs-Ableitern genutzt wird, besteht nicht, da sich die Hilfselektroden der Zündhilfe auf entgegengesetzten Seiten des Isolators befinden. Diese Form der Zündhilfe ist bei hohen Potentialdifferenzen von mehreren kV für eine rasche Zündung ausreichend. Soll jedoch die Ansprechspannung <1kV betragen, ist eine derartige Ausführungsform einer Zündhilfe nicht effizient. Im übrigen ist die gesamte Zündhilfe schutzlos der Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt, was sowohl zu Störungen bei deren Funktion als auch zur gänzlichen Zerstörung führen kann.
Es sind Ausführungen mit Hilfsfunkenstrecken bekannt geworden, bei denen eine Funkenentladung möglich ist. Bei derartigen Anordnungen wird die Entladung von der Hilfsfunkenstrecke, bei welcher der Stromfluss durch verschiedene Maßnahmen begrenzt wird, auf die Hauptelektroden übergeben. Bei derartigen Lösungen müsste unabhängig von der Verzugszeit bis zum Zünden der Hauptfunkenstrecke jedoch bereits die Hilfsfunkenstrecke mit einer geeigneten Zündhilfe ausgestattet sein, um selbst eine Ansprechspannung von z. B. <1kV zuverlässig zu halten.
Die WO 03/021735 A1 zeigt eine vereinfachte Zündhilfe für Überspannungsableiter, welche sich zumindest partiell im Inneren der Funkenstrecke befinden kann. Diese Zündhilfe beruht auf einer Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements und eines sogenannten Zündelements. Die Ansprechspannung des Ableiters wird hierbei vorteilhafterweise durch das spannungsschaltende Element bestimmt. Die Hauptfunkenstrecke wird dadurch gezündet, dass nach dem Zünden des spannungsschaltenden Elements ein Strom über das Zündelement fließt, wodurch über der Hauptfunkenstrecke eine Spannung aufgebaut wird. Infolge eines schlechten elektrischen Kontaktes zwischen dem Zündelement und einer Hauptelektrode soll es dann zur Funkenbildung kommen. Der Funke wandert entlang des Zündelements und verlängert sich, bis die Hauptfunkenstrecke überschlägt. Diese Lösung besitzt funktionsbedingt wesentliche Nachteile. Das entscheidende Bauelement für eine sichere Funktionsweise ist das sogenannte Zündelement. Dieses befindet sich entsprechend der Funktionsweise unmittelbar im Brennraum des Lichtbogens. Es wird somit nicht nur bei der Zündung einer elektrischen Belastung ausgesetzt, sondern während des gesamten Ableitvorgangs. Ebenso erfolgt eine Belastung bei möglichen Folgeströmen. Dies führt bei allen bekannten Materialien zu beträchtlichen Abschmelzungen. Hiervon sind insbesondere Metalle, aber auch Polymere betroffen. Keramiken neigen aufgrund der starken dynamischen Belastungen schnell zur Bruchbildung bzw. verändern infolge metallischer oder anderer leitender Ablagerungen ihren Oberflächenoder Gesamtwiderstand. Hierdurch wird jedoch in starkem Maße der Beginn der Funkenbildung, die elektrische Belastung des Zündelements und der Beginn, aber auch die Geschwindigkeit der Lichtbogenwanderung entlang des Zündelements bestimmt.
Zusätzlich wird das Zündelement bei dieser Lösung während der gesamten Lichtbogendauer, bestehend aus Impuls- und Folgestrom, infolge der direkt parallelen Anordnung zu den Hauptelektroden und somit zur gesamten Lichtbogenspannung mit einem Stromfluss belastet, wodurch der elektrische und thermische Stress des Zündelements und u. U. auch des spannungsschaltenden Elements groß ist. Eine weitere Voraussetzung für die Grundfunktion gemäß WO 03/021735 A1 ist die notwendige Funkenbildung zwischen in elektrisch leitendem Kontakt stehenden Teilen, nämlich der dortigen Elektrode und dem Zündelement. Es dürfte einleuchtend sein, dass bei der dort beschriebenen Ausführungsform die Kontaktstelle von Belastung zu Belastung selbst bei einem Federkontakt sich stets aufgrund von Schmelzerscheinungen bzw. von nicht vermeidbaren Verschmutzungen verändert. Ein reproduzierbares Funken an einer solchen Kontaktstelle ist somit nur sehr schwer einstellbar. Die vorerwähnten Einschränkungen führen insgesamt zu einer sehr komplizierten Geometrie und Materialauswahl. Des weiteren können die dynamischen und thermischen Belastungen durch den Lichtbogen und den Folgestrom recht schnell zur Funktionsstörung bzw. zum Defekt führen.
Die eingesetzte Feder zur Kontaktherstellung und Nachführung des Zündelements kann eventuell bei Abbrand bzw. Abbruch der Spitze des Zündelements dieses nachführen. Jedoch kann die Feder weder einen Komplettbruch des Zündelements nach Veränderungen der Kontaktstelle infolge der Bildung von Schmelze an der Elektrode bzw. an dem Zündelement oder die Ablagerungen von Verunreinigungen im Kontaktbereich vermeiden. Selbstverständlich muss auch die Feder vor Abbrandprodukten und den thermischen und dynamischen Belastungen durch den Lichtbogen geschützt werden.
Bei einer geringen oder auch nur zeitlich verzögerten Funkenbildung erhöht sich jedoch die Zündverzugszeit der Hauptfunkenstrecke. Einerseits kann sich dadurch die elektrische Belastung des spannungsschaltenden Elements und auch des Zündelements deutlich erhöhen, andererseits steigt die Spannung über dem Zündelement und somit über der gesamten Funkenstrecke stark an. Dies gefährdet auch die zu schützenden Elemente und die gewünschten niedrigen Restspannungswerte des Blitzstromableiters.
Ein weiterer Nachteil der zitierten Lösung besteht darin, dass der Abstand der Hauptelektroden unmittelbar mit der Länge des Zündelements verbunden ist. Insbesondere für Netzfunkenstrecken ist jedoch häufig ein relativ großer Hauptelektroden-Abstand vorteilhaft. Mit zunehmendem Abstand der Hauptelektroden steigt jedoch auch die Ansprechspannung zwischen den Elektroden. Das heißt, bei höheren Abständen muss eine stärkere Vorionisation zwischen den Hauptelektroden erfolgen, damit es zum Überschlag bei den angestrebten niedrigen Spannungen kommen kann. Ebenso verlängert sich die Strecke, an welcher der Funke von der schlechten Kontaktstelle entlang wandern muss, bis er die andere Hauptelektrode erreicht. Dies schränkt zudem auch, wie bereits erwähnt, die Wahl der üblichen Mittel zur Folgestromlöschung bzw. -begrenzung ein.
Die Funkenstreckenanordnung nach DE 199 52 004 A1 kann sowohl mit einer aktiven als auch mit einer stark vereinfachten passiven Zündhilfe betrieben werden. Diese Zündhilfen befinden sich alle außerhalb der Funkenstrecke.
Im übrigen bestehen die Zündhilfen aus einer Vielzahl von Bauelementen, welche die Aufgabe des Feinschutzes übernehmen sollen. Dies bedingt jedoch verhältnismäßig große und leistungsfähige Bauelemente, wodurch eine Integration in die Funkenstrecke erschwert wird. Die Aufgabe des Feinschutzes bedingt jedoch auch einen verhältnismäßig hohen Leistungsumsatz und eine zusätzliche thermische Belastung.
Bei der passiven Zündhilfe, welche vorteilhafterweise nur aus wenigen Bauelementen besteht, würde sich zwar der Platzbedarf reduzieren, jedoch bleibt das Problem des Leistungsumsatzes bei der Realisierung des Feinschutzes bestehen. Nachteilig ist bei der DE 199 52 004 A1 weiterhin, dass das Ansprechverhalten der Gesamtanordnung durch die geometrische Ausführung der Funkenstrecke bestimmt wird. In diesem Falle definiert somit die Ansprechspannung der kürzeren Trennstrecke die Ansprechspannung des gesamten Ableiters. Die auf diese Weise erzielbaren Ansprechspannungen sind erfahrungsgemäß jedoch nicht alterungsstabil und stark vom Belastungszustand der Funkenstrecke abhängig.
Auch die Integration eines PTC-Elements in die Funkenstrecke ist problematisch. Derartige PTC-Elemente erwärmen sich aufgrund ihrer Funktionsweise um bis zu mehreren 100 K. Eine derartige Erwärmung stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die Belastbarkeit der Isolationselemente. Zusätzlich ist eine derartige Anwendung eines PTC-Elements dadurch erschwert, dass dieses, um die Funktionsweise der Funkenstrecke wieder sicherzustellen, relativ schnell nach Belastung abzukühlen ist. Eine solche Abkühlung würde jedoch durch eine Kapselung erschwert werden.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Überspannungsschutzeinrichtung auf Funkenstreckenbasis, insbesondere für Niederspannungs-Anwendungen, umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektroden sowie mit mindestens einer Zündhilfselektrode anzugeben, welche mögliche Störquellen zwischen Zündhilfe und Funkenstrecke vermeidet und die prinzipiell bei allen bekannten Verfahren zur Folgestromlöschung, Folgestrombegrenzung oder aber auch der Vermeidung von Folgeströmen bei Funkenstrecken einsetzbar ist. Die anzugebende Lösung soll also universelle Applikationen, und zwar unabhängig von der konkreten Elektrodengeometrie gestatten.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Überspannungsschutzeinrichtung auf Funkenstreckenbasis gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird von einer vereinfachten Zündhilfe ausgegangen, welche zumindest aus einem spannungsschaltenden Element, einer Impedanz und einer Trennstrecke besteht. Die vereinfachte Zündhilfe ist bevorzugt zwischen zwei Hauptelektroden sowie vollständig im druckfesten Gehäuse der Überspannungsschutzeinrichtung, d.h. in die Funkenstrecke selbst integriert und wird Bestandteil dieser. Tritt an einer solchen Anordnung eine Überspannung auf, die die Summe der Ansprechspannungen des Schaltelements und der Trennstrecke der Reihenschaltung übersteigt, so spricht die Zündhilfe an, wodurch ein Strom über das spannungsschaltende Element, die Impedanz und die zugehörige Trennstrecke von der ersten Hauptelektrode zur zweiten Hauptelektrode fließt. Durch den Lichtbogen, welcher diese vorerwähnte Trennstrecke überbrückt, werden sofort beim Ansprechen der Zündhilfe Ladungsträger in die Funkenstrecke eingebracht, welche eine sofortige Ionisation der Trennstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden bewirkt, wodurch die Spannungsfestigkeit dieser Trennstrecke reduziert wird und es infolge des mit der Stromstärke ansteigenden Spannungsabfalls über der Impedanz es schließlich zum Überschreiten der nun reduzierten Spannungsfestigkeit der Trennstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden und somit zur Zündung der Funkenstrecke kommt.
Durch die Integration in das druckfeste Gehäuse der Funkenstrecke, jedoch außerhalb des Brennraums des Lichtbogens, werden alle externen Anschlussprobleme der Zündeinrichtung an die Funkenstrecke beseitigt.
Die druckfeste Kapselung ist für das Beherrschen von Drücken bis zu mehreren 10 bar infolge der Belastungen der Funkenstrecke bei Blitzen und Netzfolgeströmen ausgelegt.
Bei einer möglichen Überlastung der Zündhilfe wird das Schadenspotential somit wesentlich durch die druckfeste Kapselung der Funkenstrecke eingegrenzt. Hierdurch entfallen auch zusätzliche Schutzmaßnahmen der Zündhilfe selbst, wie z. B. Sicherungen oder Ähnliches. Eine eventuell gewünschte Bewertung des Zustands des Ableiters ist ebenfalls stark erleichtert, da nur die Gesamtfunktion, messbar an den äußeren Klemmen der Funkenstrecke, und nicht einzelne Bauelemente, Verbindungen und Komponenten überwacht werden müssen.
Erfindungsgemäß ist also die Zündhilfs-Funktionsbaugruppe zum gezielten Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke aus einer vollständig in das druckdichte Gehäuse integrierten, außerhalb des Lichtbogen-Brennraums befindlichen Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elements, einer Impedanz und einer Trennstrecke gebildet, wobei die Trennstrecke durch den Abstand der Zündhilfselektrode zur nächstliegenden Hauptelektrode definiert ist.
Das spannungsschaltende Element kann beispielsweise ein Gasableiter sein. Ebenso besteht die Möglichkeit, das spannungsschaltende Element als Suppressordiode, Thyristor, Varistor und/oder als definiert abbrandfeste Luftoder Gleitfunkenstrecke auszubilden.
Die Zündhilfselektrode kann selbst impedanzbehaftet ausgeführt sein und einen komplexen Widerstand besitzen.
Bevorzugt reicht die Zündhilfselektrode partiell in den Lichtbogen-Brennraum hinein oder befindet sich in diesem.
Die Zündhilfselektrode kann aus einem leitfähigen Kunststoff oder einem Kunststoff mit leitfähigen Zusätzen, wie z. B. leitfähigen Fasern bestehen.
Die Impedanz wiederum besteht aus einem Material mit nichtlinearem oder linearem Widerstandsverlauf.
Ebenso kann die Impedanz aber auch aus einem leitfähigen Kunststoff oder einer leitfähigen Keramik bestehen.
Auch ist eine Ausführungsform der Impedanz als diskretes Bauelement, z. B. Widerstand, Varistor oder Kapazität im Sinne der Erfindung liegend.
Die Zündhilfselektrode ist gegenüber der Hauptelektrode isoliert, wobei die Ansprechspannungen der sich zu den Hauptelektroden jeweils ergebenden Teilstrecken unterschiedlich gewählt werden.
Die Ansprechspannung e1 der ersten Hauptelektrode zur Zündhilfselektrode ist viel größer als die Ansprechspannung der weiteren Trennstrecke e2 gewählt.
Zur Reduzierung der Ansprechspannung der Trennstrecke e2 ist diese als dünne, abbrandfeste Isolierfolie, als abbrandfeste Lackbeschichtung oder sonstige dünne Isolierschicht ausgebildet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Überspannungsschutzeinrichtung Mittel zum Beströmen des Lichtbogens mit Hartgas auf.
Zum Erzeugen des Hartgases umgibt hartgasabgebendes Material mindestens Abschnitte des Lichtbogen-Brennraums, wobei das hartgasabgebende Material zusätzlich leitfähige Eigenschaften aufweist, um das Potential einer der Hauptelektroden bis an die Trennstrecke der Zündhilfselektrode heranzuführen.
Bei der Hartgas-Ausführungsvariante verhindert eine Druckausgleichsöffnung, dass sich über die Zeit ein unerwünschter Druckanstieg akkumuliert.
Die Druckausgleichsöffnung kann durch das Gehäuse oder durch Elektrodenmaterialien gebildet werden, welche mindestens teilweise gasdurchlässig sind.
Hierfür können Abschnitte des Gehäuses aus einem porösen Polymermaterial, poröser Keramik oder entsprechend porösem Metall bestehen.
Die Überspannungsschutzeinrichtung kann bei einer weiteren Ausführungsform Mittel zur Restspannungsbegrenzung aufweisen.
Hier besteht insbesondere die Möglichkeit, das leitfähige, hartgasabgebende Material, welches elektrisch mit einer der Hauptelektroden in Verbindung steht, in einer definierten Geometrie sowie mit definierten elektrischen Eigenschaften auszuführen, so dass die zielgerichtete Beeinflussung des Verlaufs und der Höhe der Restspannung realisierbar ist.
Bevorzugt ist der Widerstand des hartgasabgebenden Materials gegenüber der Impedanz der Reihenschaltung des Funktionselements niedriger.
Das leitfähige, hartgasabgebende Material trägt während der Belastung mit Stoßstrom als auch mit Folgeströmen einen Teil des jeweils fließenden Gesamtstroms, so dass sich die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung und deren Langzeitstabilität erhöht.
Der Stromanteil, welcher vom leitfähigen, hartgasabgebenden Material übernommen wird, ist über das Verhältnis des Widerstands dieses Materials zum Widerstandswert des Lichtbogens quasi einstellbar.
Bevorzugt ist der mittlere Wert des Widerstands des leitfähigen, hartgasabgebenden Materials größer gewählt, als der durchschnittliche, mittlere Widerstandswert des Lichtbogens ist.
Zum Schutz vor thermischen und/oder mechanischen Belastungen kann bei einer Ausgestaltung der Erfindung das spannungsschaltende Element und/oder die diskrete Impedanz in eine der Hauptelektroden integriert werden. Hierfür kann eine der Hauptelektroden einen von außen zugänglichen Hohlraum aufweisen, wodurch auch, wenn nötig, eine Austauschbarkeit des spannungsschaltenden Elements gewährleistet ist.
Das spannungsschaltende Element ist in den Hohlraum einpolig isoliert eingesetzt, wobei der Hohlraum ein Innengewinde zur Aufnahme einer, das eingesetzte spannungsschaltende Element kontaktierenden leitfähigen Schraube aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt das zum Lichtbogen-Brennraum reichende Ende der Zündhilfselektrode im wesentlichen auf gleicher Höhe des in den Brennraum hineinreichenden Endes derjenigen Hauptelektrode, welche der ersten Trennstrecke zugehörig ist.
Auch kann die Zündhilfselektrode seitlich versetzt und/oder bezogen auf den Lichtbogen-Hauptbrennraum zurückgesetzt zum Schutz dieser angeordnet werden.
Über ein ergänzendes spannungsschaltendes Element, welches außerhalb der druckdichten Kapselung befindlich ist, kann eine Einstellung oder Anpassung der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung erfolgen.
Grundsätzlich ist die vorgestellte Überspannungsschutzeinrichtung auch als Kombination aus einer triggerbaren Teilfunkenstrecke hoher Ansprechspannung und mindestens einer nachgeordneten Teilfunkenstrecke niedriger Ansprechspannung realisierbar.
Bei dieser Ausführungsform können die Teilfunkenstrecken Mittel zur internen Potentialsteuerung aufweisen.
Die Teilfunkenstrecken sind über Distanzhalter mechanisch fixiert und verbunden.
Die Distanzhalter können aus einem leitfähigen, feldsteuernden Material bestehen.
Die Distanzhalter und die Elektroden der Teilfunkenstrecken können bei einer Ausführungsform der Erfindung eine Ummantelung besitzen, wobei die Ummantelung eine einseitig elektrisch angeschlossene Schirmung zur gezielten Potentialverzerrung umfasst oder als solche selbst ausgebildet ist.
Der Abstand der Elektroden, welche die Teilfunkenstrecke mit Zündhilfselektrode bilden, ist bevorzugt größer gewählt als der Abstand der Elektroden, die die jeweils folgenden Teilfunkenstrecken definieren.
Der Distanzhalter kann für die nicht durch die Zündhilfselektrode triggerbare Teilfunkenstrecke als ein integrales Bauteil im Sinne der Fertigungsrationalisierung und leichteren Montage ausgeführt werden.
Zur Vermeidung eines elektrischen Überschlags außerhalb des Lichtbogen-Brennraums sind zusätzliche Isolierabschnitte oder Isoliermaterialien, bevorzugt im äußeren Bereich der Elektroden der Teilfunkenstrecke vorgesehen oder dort angeordnet.
Die Distanzhalter weisen auf ihrer vom Lichtbogen-Brennraum entfernten Seite eine Isolationsbeschichtung oder Isolationsumhüllung auf, was sich als ergänzende Maßnahme zur Vermeidung unerwünschter Überschläge darstellt.
Es besteht die Möglichkeit, die erste, triggerbare Teilfunkenstrecke durch einen Gasableiter zu ersetzen, welcher die Ansprechspannung der Gesamtanordnung bestimmt, ohne dass hierdurch der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird.
Ganz grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Funkenstrecke als Hörnerfunkenstrecke oder aber auch als Stapelfunkenstrecke ausgeführt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1
eine Prinzip-Schnittdarstellung durch eine in einer gekapselten Funkenstrecke befindlichen Zündhilfe;
Fig. 2
eine Ausführungsform ähnlich Fig. 1, jedoch mit zusätzlichem hartgasabgebenden Material, welches den Lichtbogen-Brennraum umgibt;
Fig. 3
eine weitere Ausführungsform der Überspannungsschutzeinrichtung ähnlich wie in Fig. 2 dargestellt, jedoch mit variierter Heranführung des Potentials der Hauptelektrode an die Zündhilfselektrode;
Fig. 4
eine Darstellung einer Überspannungsschutzeinrichtung mit einem spannungsschaltenden Element, integriert in eine der Hauptelektroden;
Fig. 5
eine Ausführungsform mit spezieller höhenmäßiger Zuordnung einer der Hauptelektroden zur Zündhilfselektrode;
Fig. 6
eine weitere Ausführungsform der Zuordnung von Zündhilfselektrode und benachbarter Hauptelektrode;
Fig. 7
eine Darstellung mit einem spannungsschaltenden Element außerhalb der druckfesten Kapselung der Funkenstrecke;
Fig. 8
eine Funkenstrecke, umfassend mehrere Teilfunkenstrecken;
Fig. 9
eine Darstellung ähnlich Fig. 8, jedoch mit einem gemeinsamen Distanzhalter für die nicht triggerbaren Teilfunkenstrecken und
Fig. 10
eine Darstellung einer Funkenstrecke ähnlich den Fig. 8 und 9, jedoch mit zusätzlichen Maßnahmen zur Isolation zum Zweck des Vermeidens von unerwünschten äußeren Durchschlägen.
Die passive Zündhilfe 100 entsprechend Fig. 1 ist in die druckfeste Kapselung 5 der Funkenstrecke integriert, welche zwei Hauptelektroden 1 und 2 aufweist. Diese Hauptelektroden 1 und 2 sind bei einer z.B. metallischen Kapselung 5 gegenüber dieser isoliert gehalten.
Die Zündhilfe 100 besteht aus einem spannungsschaltenden Element 4, bevorzugt einem Gasableiter, wobei jedoch auch Suppressordioden, Thyristoren, Varistoren, definiert abbrandfeste Trennstrecken oder eine Kombination dieser Elemente geeignet sind. Weiterhin weist die Zündhilfe 100 eine impedanzbehaftete Zündhilfselektrode 3 auf. Es besteht auch die Möglichkeit, dass eine diskrete Impedanz 3a als separates Element vorhanden ist.
Als Impedanz 3a sind Elemente bzw. Materialien wie Kunststoffe oder Keramiken mit linearen, aber auch mit nichtlinearen Widerständen bzw. Kennlinien geeignet. Beim Einsatz einer diskreten Impedanz 3a kann diese z. B. als Widerstand, als Varistor, als Kapazität oder aber auch aus Materialien mit entsprechender Charakteristik derartiger Bauelemente ausgeführt werden.
Die Zündhilfselektrode oder Zündelektrode 3 ist gegenüber den beiden Hauptelektroden 1 und 2 isoliert. Die Ansprechspannungen der sich ergebenden Teilfunkenstrecken e1 und e2 sind jedoch unterschiedlich ausgelegt.
Die Ansprechspannung der Strecke e1, d.h. der Hauptelektrode 1 zur Zündhilfselektrode 3 ist viel größer als die Ansprechspannung der Strecke e2, gebildet durch den Abstand der Hauptelektrode 2 zur Zündhilfselektrode 3.
Die Ansprechspannung der Strecke e1 ist mindestens gleich, aber im allgemeinen höher als die Ansprechspannung des spannungsschaltenden Elements 4 der Zündhilfe 100.
Die Ansprechspannung der Strecke e2 ist hingegen höchstens gleich, aber im Allgemeinen niedriger als die Ansprechspannung des spannungsschaltenden Elements 4 der Zündhilfe 100.
Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Ansprechspannung des gesamten Ableiters im wesentlichen durch die Ansprechspannung des spannungsschaltenden Elements 4 bestimmt wird und damit unabhängig von den üblichen geometrischen Bedingungen der Hauptfunkenstrecke gewählt werden kann. Vorteilhafterweise sind alle für das Ansprechverhalten funktionsrelevanten Teile nicht der direkten Lichtbogeneinwirkung ausgesetzt. Einzig ein Ende der Zündhilfselektrode 3, welche bevorzugt selbst impedanzbehaftet, z. B. als leitfähigem Kunststoff ausgeführt werden kann, befindet sich partiell im Lichtbogen-Brennraum und wird isoliert gegenüber den beiden Hauptelektroden 1, 2 ausgeführt.
Wenn die Zündhilfselektrode 3 nicht aus einem impedanzbehafteten Material, sondern aus einem niederohmigen Material, z. B. Kupfer oder Ähnlichem ausgeführt ist, wird, wie bereits erwähnt, eine separate Impedanz 3a eingesetzt, die dann vollständig außerhalb der direkten Lichtbogeneinwirkung befindlich ist.
Der im Lichtbogen-Brennraum unvermeidbare Abbrand aller Teile kann die Zündhilfselektrode 3 nur partiell schädigen. Da der Lichtbogenabbrand im gesamten Brennraum der Funkenstrecke allseitig erfolgt, werden alle den Brennraum begrenzenden Teile, also auch die Zündhilfselektrode 3, mit ihren angrenzenden Isolationsteilen nach und nach abgebrannt.
Hierdurch ist sichergestellt, das die geometrischen Proportionen aller Bauteile nach jeder Belastung weitestgehend gleich bleiben.
Infolge eines ungleichmäßigen Abbrands bzw. infolge von Verunreinigungen kann es aber auch bei dieser Geometrie zur Schädigung oder zum Überbrücken der kurzen Isolationsstrecke e2 kommen. Insbesondere bei nahezu allen aktiven externen Zündhilfen würde dies quasi zum Kurzschluss des Impulsübertragers und somit zum Versagen oder zur Überlastung der Zündhilfe führen. Bei der hier vorgeschlagenen Gestaltung gemäß Ausführungsbeispiel ist dies jedoch nicht der Fall. Die entstehenden Verunreinigungen als auch die in der Regel nur partiellen Kontaktbrücken, welche durch Schmelzerscheinungen gebildet werden und aufgrund der Auslegung der Bauteile nur geringfügig sind, besitzen einen vergleichsweise hohen Widerstand und werden durch einen geringen Stromfluss beseitigt.
Die elektrischen Parameter der in die Funkenstrecke integrierten Bauelemente sind einerseits durch die geometrischen Abmessungen vorgegeben. Andererseits wird aber der Leistungsumsatz auch zugunsten einer einfachen Konstruktion der Kontaktstellen und auch der thermischen Belastung der Isolationsstrecken begrenzt. Die Leistungsfähigkeit der Zündhilfe bei der vorliegenden Ausführungsform beschränkt sich auf kleine Impulsleistungen.
Bei der der allgemeinen Funktionsbeschreibung dienenden Darstellung nach Fig. 1 ist eine prinzipielle, vereinfachte Geometrie einer möglichen Funkenstreckenanordnung gezeigt. In dieser Anordnung, die lediglich den Zündbereich betrifft, sind zur Vereinfachung noch keine Maßnahmen zur Folgestrombegrenzung enthalten.
Die Hauptelektroden 1 und 2 werden in an sich bekannter Weise aus abbrandfesten, elektrisch leitenden Materialien wie Metallen, metallischen Legierungen, Sintermetallen, Grafit, Keramiken oder Verbundkeramiken gefertigt.
Bezüglich der Zündhilfselektrode 3 ist noch anzumerken, dass diese, wie dargelegt, entweder selbst aus einem Material mit erhöhter Impedanz, z.B. Widerstandsmaterial, elektrisch leitfähigem Kunststoff, Kunststoff mit Füllmaterial besteht oder mit einer separaten Impedanz 3a in Form eines Widerstands verbunden ist.
Im Kunststoffmaterial der Zündhilfselektrode können zum Einstellen gewünschter Impedanzeigenschaften nicht nur Ruß- oder Grafitelemente oder Metall bzw. Kohlefasern enthalten sein, sondern es besteht die Möglichkeit, Mikrovaristoren oder Nanotubes einzubringen.
Die Hauptelektrode 1 ist über das spannungsschaltende Element 4, welches ein Gasentladungsableiter, ein Gasentladungsableiter mit Microgap; eine Funkenstrecke, eine Trennstrecke, eine Suppressordiode, ein Varistor oder eine Kombination aus den vorgenannten Elementen sein kann, mit der Impedanz 3a bzw. der Zündhilfselektrode 3 innerhalb der äußeren druckfesten Kapselung 5 der Funkenstrecke verbunden.
Wie dargelegt, bilden die drei Elektroden zwei Teiltrennstrecken e1 und e2, wobei e2 eine deutlich niedrigere Ansprechspannung als die Trennstrecke e1 besitzt.
Die Ansprechspannung der Teilstrecke e2 ist gleich oder kleiner als die Ansprechspannung des spannungsschaltenden Elements 4. Da die Gleichansprechspannung des gesamten Ableiters gleich oder kleiner als 1 kV sein soll, ergeben sich besondere Anforderungen an die Ausführung der Trennstrecke e2.
Diese Trennstrecke e2 kann z. B. durch dünne Folien aus abbrandfesten Materialien oder durch temperaturbeständige Beschichtungen, aber auch mittels spezieller abbrandfester Lacke realisiert werden.
Nach dem Ansprechen des spannungsschaltenden Elements 4 und der Trennstrecke e2 entsteht ein Funken zwischen der Zündhilfselektrode 3 sowie der Hauptelektrode 2. Der Strom fließt von der Hauptelektrode 1 über die Impedanz 3a, die Zündhilfselektrode 3 und den Funken zur Hauptelektrode 2. Dieser Funke bringt Ladungsträger in den Innenraum der Funkenstrecke ein, wodurch die Spannungsfestigkeit der Trennstrecke e1 sehr schnell reduziert wird.
Zwischen der Hauptelektrode 1 und der Zündhilfselektrode 3 gemäß Fig. 1 besteht eine Spannungsdifferenz, welche im wesentlichen von der Höhe des Stromes im Zündkreis und der Impedanz 3a bestimmt wird. Übersteigt diese Spannungsdifferenz die durch den Ladungsträgereintrag reduzierte Spannungsfestigkeit der Trennstrecke e1, so zündet diese, übernimmt den Strom und entlastet den Zündkreis. Die Teillichtbögen über den Trennstrecken e1 und e2 verbinden sich und die Funkenstrecke zündet zwischen den Hauptelektroden 1 und 2.
Fig. 2 zeigt eine Funkenstrecke für Netzanwendungen, insbesondere zwischen L und N. Diese Funkenstrecke ist in der Lage, höhere Lichtbogenspannungen zu erzeugen. Diese werden im vorliegenden Fall durch das Beströmen des Lichtbogens mit Hartgas realisiert.
Zur Hartgasbeströmung wird ein hartgasabgebender Stoff 10, z. B. POM, Polytetrafluoräthylen auf Polymerbasis bzw. mineralischer Basis, z. B. CaCO3 oder BaCO3, eingesetzt.
Auch kann der Effekt genutzt werden, durch elektrisch leitfähige Zusätze, wie Metallfasern, Ruß, Kohlefasern, Mikrovaristoren, Nanotubes, Metallpartikel, Halbleiterpartikel oder auch an sich leitfähige Polymere, das Potential der Hauptelektrode 2 bis an die Trennstrecke der Zündhilfselektrode 3 heranzuführen.
Durch diese Maßnahme wird die Ansprechspannung der Trennstrecken e1 und e2 nicht verändert; jedoch die wirksame Lichtbogenlänge zwischen den Hauptelektroden 1 und 2 erhöht.
Der Zündfunke entsteht zwischen der Zündhilfselektrode 3 und dem leitfähigen hartgasabgebenden Material 10 und kann sich dann bereits oder erst nach dem Überschlag der Trennstrecke e1 sehr schnell bis zur Hauptelektrode 2 verlängern.
Hierdurch wird einerseits die Lichtbogenlänge vergrößert und andererseits der Lichtbogen durch das Hartgas gekühlt und beströmt.
Beide Maßnahmen erhöhen die Lichtbogenspannung, wodurch bekanntermaßen eine Strombegrenzung bei Netzfolgeströmen erreicht werden kann. Durch die Erzeugung von Hartgas und die Beströmung des Lichtbogens entsteht ein Druckanstieg, der durch die Druckausgleichsöffnung 11 ableitbar ist. Hierdurch wird verhindert, dass in dem druckdicht abgeschlossenen Volumen über das erzeugte Gas ein allmählicher Druckanstieg auftritt, wodurch die Berstfestigkeit der Funkenstrecke nach mehrmaligen Belastungen womöglich überschritten werden könnte.
Zum Druckausgleich können konstruktiv vorhandene Kanäle kleinen Querschnitts genutzt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, auch poröse, für Gase bzw. für bestimmte Gasarten durchlässige Gehäusematerialien, wie z. B. poröse Polymere, Metalle oder Keramiken, alternativ zu konstruktiven Kanälen einzusetzen.
Die Ansprechspannung der Funkenstrecke ist von einer Druckerhöhung z. B. beim Einsatz von Gasentladungsableitern als spannungsschaltendes Element 4 nicht betroffen.
Unter Hinweis auf die Darstellung nach Fig. 3 kann in analoger Weise auch das Potential der Hauptelektrode 1 an die Zündhilfselektrode 3 herangeführt werden.
Wie bereits erläutert, kann die Distanz der beiden Hauptelektroden ohne Beeinflussung der Ansprechspannung durch den Einsatz entsprechend leitfähiger Materialien 10 verlängert werden. Die Größe des leitfähigen, hartgasabgebenden Teiles 10 wird bevorzugt größer gewählt als die Abmessungen der Trennstrecke e1.
Bekanntermaßen belastet auch die Restspannung eines Ableiters, welche erst nach dem Ansprechen des Ableiters und somit bei Stromfluss über den Ableiter auftritt, nachgeschaltete Geräte. Dies ist insbesondere bei der neuen Generation von Überspannungsableitern von Bedeutung, da diese, wie bereits eingangs erläutert, ohne zusätzliche Entkopplung die nachgeordneten Geräte bei einem insgesamt niedrigen Schutzpegel schützen soll.
Die Höhe der Restspannung bei der Funkenstreckenanordnung entsprechend den Fig. 1 und 2 kann in drei Bereiche klassifiziert werden. Ein erster Zeitbereich beginnt quasi nach dem Ansprechen des spannungsschaltenden Elements und dem Überschlag der Trennstrecke e2. Es fließt ein Strom über das spannungsschaltende Element 4, die Impedanz 3 und das elektrisch leitende Teil 3 (Fig. 2).
Die Impedanz all dieser Elemente bestimmt den Spannungsabfall über den Ableiter. Wird die, durch die Vorionisation herabgesetzte Festigkeit der Strecke e1 überschritten, erfolgt ein Überschlag zwischen der Hauptelektrode 1 und dem Teil 10. Hierdurch erfolgt eine Entlastung des Zündkreises und es reduziert sich die Restspannung um den Spannungsabfall über den Zündkreis. Nun wird die Restspannung im wesentlichen durch das Teil 10 bestimmt. Mit fortschreitender Ionisation zwischen den beiden Hauptelektroden 1 und 2 und dem Wandern des Lichtbogens am Teil 10 entlang, erfolgt der Überschlag zwischen den Hauptelektroden 1 und 2. Zu diesem Zeitpunkt wird die Restspannung durch den Lichtbogen zwischen den Hauptelektroden bestimmt. Selbstverständlich kann auch der erste Lichtbogenüberschlag über das Teil 10 erfolgen und anschließend erst der Überschlag der Trennstrecke e1. Dies ist erfindungsgemäß durch eine entsprechende geometrische Gestaltung vermeidbar. Auf diesem Wege ist verhindert, dass die Belastung des Zündkreises steigt.
Da der Prozess bis zum Überschlag zwischen den beiden Hauptelektroden eine gewisse Zeitdauer erfordert, steigt die Restspannung während dieses Zeitraums in Abhängigkeit der aktuell wirksamen Impedanz und des Impulsstroms an. Bei hohen Spannungssteilheiten bzw. Stoßströmen kann die Restspannung daher unter Umständen zu hohe Werte annehmen, wodurch eine Gefährdung bzw. sogar eine Überlastung der nachgeschalteten Elemente auftreten kann.
Erfindungsgemäß wird dem leitfähigen, hartgasabgebenden Teil 10 zusätzlich die Aufgabe einer effektiven Restspannungsbegrenzung übertragen. Hierfür ist gemäß Ausführungsbeispiel eine bestimmte Bemessung des Widerstands des Teiles 10 erforderlich.
Eine zielgerichtete Beeinflussung des Verlaufs und der Höhe der Restspannung kann im übrigen durch die geometrische neben der elektrischen Gestaltung des Teiles 10 erfolgen. Wird der Widerstand des Teiles 10 im Verhältnis zur Impedanz 3a relativ hochohmig gewählt, steigt die Restspannung auch nach dem Überschlag der Trennstrecke e1 weiter an. Es würde also insbesondere bei großen Abmessungen (Länge) des Teiles 10 (größere Zündverzugszeit) die Gefahr einer zu hohen Restspannung bei großen Impulsströmen bestehen.
Wird der Widerstand des Teiles 10 hingegen gegenüber der Impedanz 3a niedrig gewählt, kann der Anstieg der Restspannung nach dem Überschlag der Trennstrecke e1 reduziert werden, wodurch die Gefahr einer zu hohen Restspannung deutlich reduzierbar ist.
Der effektive wirksame Widerstand des Teiles 10 kann durch das Material, die Geometrie des Teiles und die jeweilige Kontaktfläche des Teiles 10 an der Elektrode 2 beeinflusst werden. Ebenso wirksam ist jedoch auch die Gestaltung des Übergangsbereichs zwischen dem Teil 10 und der Zündhilfselektrode 10 sowie die Positionierung der Hauptelektrode 1. Wird die Zündhilfselektrode 3 z. B. mit einem größeren Innendurchmesser als das Teil 10 ausgeführt, ist sie gegenüber diem Teil als quasi zurückgesetzt, ergibt sich eine praktisch größere Kontaktfläche am Teil 10 für den Funken zwischen der Hauptelektrode 1 und dem Teil 10 selbst, wodurch sich ein geringerer wirksamer Widerstand des Teiles 10 einstellt.
Ist die Zündhilfselektrode praktisch einstehend in den Lichtbogen-Brennraum, erhöht sich der Widerstand. Es können auch in Richtung der Achsen analog wirkende Maßnahmen der geometrischen Gestaltung durchgeführt werden.
Zu beachten ist bei der Beeinflussung der Restspannung auch, dass das Material des Teiles 10 durch die Übernahme eines bedeutenden Stromanteils von bis zu mehreren kA bei Impulsstrombelastung eine entsprechende elektrische und thermische Belastung erfährt und dafür entsprechend auszulegen ist. Eine thermische Vorbelastung des Teiles 10 während der Zündphase ist allerdings auch positiv zu sehen, da insbesondere POM-Materialien bei höherer Temperatur das Hartgas beschleunigt freisetzen. Dies führt zu einem insgesamt besseren Löschverhalten bei möglichen Folgeströmen, welche selbstverständlich auch partiell über das Material des Teiles 10 fließen und dieses elektrisch und thermisch belasten.
Die Höhe des Widerstands des Teiles 10 z.B. als Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von 18 mm, einem Innendurchmesser von 4 mm bei einer Höhe von 5 mm kann praktisch zwischen mehreren hundert kΩ und Werten bis ca. 1 Ω variiert werden, ohne dass sich negative Auswirkungen hinsichtlich des Löschvermögens der Funkenstrecke und der Materialauswahl ergeben. Die maximale Begrenzung der Restspannung ergibt sich, wie erläutert, bei niedrigsten Widerstandswerten.
Ein beliebiges Reduzieren ist jedoch nicht möglich, da ab bestimmten Werten sich die Gesamteigenschaften der Funkenstrecke nicht vorteilhaft verändern. Prinzipiell können drei Dimensionierungsbereiche für den mittleren Wert des Widerstands des leitfähigen, gasabgebenden Teiles 10 festgehalten werden:
ZTeil 10 > Mittelwert des Widerstands des Lichtbogens bei Impuls- und Folgeströmen
Mittelwert des Widerstands des Lichtbogens bei Impulsströmen < ZTeil 10 < Mittelwert des Widerstands des Folgestrom-Lichtbogens
ZTeil 10 < Mittelwert des Widerstands des Lichtbogens bei Impuls- und Folgeströmen.
Der Widerstandswert des Teiles 10 einer Funkenstrecke gemäß den Fig. 2 oder 3 erlangt jedoch nicht nur bei der Restspannung eine besondere Bedeutung, sondern auch durch seine Wirkung bei der Folgestromlöschung.
Das Teil 10 befindet sich bei den beschriebenen Anordnungen grundsätzlich parallel zum Lichtbogen oder zumindest zu Abschnitten des Lichtbogens. Dies gilt für alle Belastungen, bei denen die Funkenstrecke zwischen den Hauptelektrode 1 und 2 gezündet wird. Das Teil 10 übernimmt sowohl während der Belastung mit Stoßströmen als auch bei der Belastung mit Folgeströmen immer einen Anteil des Gesamtstroms. Die Höhe dieses Anteils ist abhängig von der Höhe des Widerstandswerts des Teiles 10 und des Quasi-Widerstands des Lichtbogens.
Bekanntermaßen ist die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Lichtbogens nicht linear, sondern von zahlreichen Faktoren, u.a. der Zusammensetzung des Gases, Druck, Temperatur und so weiter abhängig. Diese Größen werden in einer realen Funkenstrecke u.a. durch die Geometrie, die eingesetzten Materialien und die elektrische Belastung bestimmt. Dadurch, dass alle diese Größen selbst bei feststehender Funkenstrecken-Geometrie infolge von Alterungen stark variieren, lässt sich die exakte Lichtbogen-Kennlinie nur ungenügend voraussagen. Betrachtet man den Folgestrom-Lichtbogen bei Wechselspannung, ist jedoch ebenso bekannt, dass der Widerstand des Lichtbogens zum Zeitpunkt der Zündung und zum Zeitpunkt des Verlöschens zum Teil deutlich erhöht ist. In diesem Zeitbereich übernimmt somit der parallele Widerstand des Teiles 10 einen entsprechend höheren Stromanteil bzw. sogar den Gesamtstrom bei niedrigen Werten < 10 Ω. Dem Lichtbogen werden hierdurch selbstverständlich Ladungsträger entzogen, wodurch die Ionisation stark zurückgeht. Dies führt zu einem vorzeitigen Verlöschen des Lichtbogens. Teil 10 führt hier den Folgestrom bis zum Stromnulldurchgang.
Es kann der niedrige Widerstandswert des Teiles 10 auch zur Vermeidung eines Netzfolgestrom-Lichtbogens dienen. Die Netzspannung ist im Verhältnis zur treibenden Spannung des Impulsstroms vergleichsweise niedrig und zudem von der Phasenlage abhängig. Unter anderem führt dies in der Praxis dazu, dass der Impulsstrom-Lichtbogen häufig nicht unmittelbar in den Netzfolgestrom-Lichtbogen übergeht, sondern dieser erst infolge der reduzierten Spannungsfestigkeit der Schaltstrecke infolge der Impulsbelastung zünden kann. Der Parallelwiderstand des Teiles 10 reduziert jedoch aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit quasi die Spannungsbelastung der Schaltstrecke, wodurch die Zündung des Netzfolgestrom-Lichtbogens verhinderbar ist. In einem solchen Fall kann der Netzfolgestrom zum einen komplett verhindert werden oder es fließt zum anderen nur ein begrenzter Folgestrom über das Teil 10 bis zum Stromnulldurchgang. Bei dieser Wirkungsweise wird die Lösch- und die Zündspitze des Lichtbogens vermieden. Diese Wirkung ist ein positiver Nebeneffekt, wobei im übrigen noch keine Gefahr einer Schädigung des Teiles 10 unabhängig vom gewählten leitfähigen Material gegeben ist.
Entspricht der Widerstand des Teiles 10 jedoch in etwa dem Widerstand des Folgestrom-Lichtbogens, ist mit einer starken Strombelastung des Teiles 10 über die gesamte Lichtbogenphase zu rechnen. Es werden daher nur solche Materialien verwendet, die durch eine anhaltende Strom- und Temperatureinwirkung nicht geschädigt werden können. Bei Funkenstrecken, bei denen eine sehr effektive Folgestrombegrenzung erreicht werden soll, d.h. bei denen die Höhe der Lichtbogenspannung, die die Netzspannung nach spätestens einer Millisekunde erreicht, besitzt der Lichtbogenwiderstand bei Folgestrom einen Wert im wesentlichen zwischen 0,5 und 1 Ω. Wird dieser Wert vom Teil 10 unterschritten, führt dies einerseits zu einer starken Belastung des Teiles 10, jedoch kann andererseits der Lichtbogen schneller gelöscht werden oder es ist eine Zündung verhinderbar.
Bei der Wahl eines sehr niedrigen Widerstandswerts des Teiles 10 ist zu berücksichtigen, dass die Folgestrombelastung sinkt, und dass sowohl die Trennstrecke e1 und auch das spannungsschaltende Element 4 die auftretenden Folgeströme und auch den Abbrand mehrfach beherrschen müssen.
Eine Absenkung des Widerstands des Teiles 10 bei Funkenstrecken gemäß z. B. Fig. 2 unter den im Allgemeinen deutlich geringeren Widerstand des Lichtbogens (ca. < 1/10) bei Impulsströmen, behindert eine gewünschte starke Folgestrombegrenzung unverhältnismäßig stark. Die starke Differenz zwischen dem Widerstand des Lichtbogens bei Impulsströmen und bei Folgeströmen ergibt sich bei Anordnungen entsprechend gemäß Fig. 2 u.a. aus der verzögerten Abgabe von Hartgas aus dem hierfür eingesetzten Teil 10.
Eine sichere Arbeitsweise und eine kaum eingeschränkte Materialauswahl für das Teil 10 ist insbesondere dann gegeben, wenn der mittlere Widerstand des Teiles 10 grundsätzlich höher als der mittlere Widerstand des Lichtbogens ist.
Für spezielle Funkenstreckenanordnungen können jedoch auch Auslegungen sinnvoll sein, bei denen durch Absenkung des Mittelwerts des Widerstands des Teiles 10 unter den Mittelwert des Widerstands des Folgestrom-Lichtbogens ein Lichtbogen bei Folgestrom weitestgehend vermieden werden soll. Eine derartige Anordnung bedarf jedoch aufgrund der hohen elektrischen und thermischen Belastungen einer besonderer Materialauswahl und Auslegung des Teiles 10. Denkbar sind hier leitfähige Keramiken, Verbundmaterialien, Varistormaterial oder die Verwendung von PTC-Material.
Die Fig. 4 bis 7 zeigen weitere Ausgestaltungsvarianten der integrierten Zündhilfe in Kombination mit einer Funkenstrecke mit Folgestromlöschung nach dem Hartgasprinzip.
Gemäß Fig. 4 wird das spannungsschaltende Element 4 zum Schutz vor insbesondere thermischen und mechanischen Belastungen direkt in eine Ausnehmung der Hauptelektrode 1 integriert. Diese Ausnehmung kann z. B. in Form einer Bohrung in der Stromzuführung der Hauptelektrode ausgeführt sein. Diese Bohrung kann ein Innengewinde aufweisen. Mit Eindrehen einer leitfähigen Schraube kann dann das im Hohlraum befindliche spannungsschaltende Element 4 sicher mechanisch befestigt und kontaktiert werden.
Obwohl zeichnerisch nicht dargestellt, besteht auch die Möglichkeit, eine separate Impedanz 3a in eine entsprechende Ausnehmung in der Hauptelektrode 1 aufzunehmen, so dass auch dieses Element besser vor statischen und dynamischen mechanischen Belastungen bei der Fertigung und während des Betriebs geschützt ist.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass eine Seite des spannungsschaltenden Elements 4 gegenüber der Hauptelektrode 1 isoliert wird und ein isolierter leitfähiger Anschluss- bzw. eine solche Verbindung zur Zündhilfselektrode 3 besteht.
Gemäß Fig. 5 wird die Zündhilfselektrode 3 quasi auf gleicher Höhe mit dem zum Lichtbogen-Brennraum reichenden Ende der Hauptelektrode 1 in den Lichtbogen-Brennraum eingebracht.
Dies bewirkt nach der Zündung der Hauptfunkenstrecke sehr schnell das Verlöschen des Stromes im Zündkreis, da dieser praktisch nicht mehr einer Potentialdifferenz ausgesetzt wird. Die Zündhilfselektrode 3 wird somit vor einem direkten Lichtbogen-Fußabbrand geschützt.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung, bei der die Zündhilfselektrode 3 seitlich versetzt vom Lichtbogen-Brennraum angeordnet ist, wodurch sich ebenfalls eine besondere geschützte Ausführungsform der Elektrode 3 einstellt.
Nach der Darstellung gemäß Fig. 7 besteht die Möglichkeit, ein, auch ergänzendes, spannungsschaltendes Element 4 außerhalb der druckfesten Kapselung 5 der Funkenstrecke anzuordnen.
Dies erlaubt es, die Ansprechspannung des Ableiters unabhängig von der Funkenstrecke auch noch nach dem Einbau in die Anwendungsumgebung frei zu wählen oder an das Anwendungsumfeld und die Einsatzbedingungen anzupassen.
Grundsätzlich kann die erläuterte und im Ausführungsbeispiel beschriebene Zündhilfe auch bei anderen Löschprinzipien bzw. Elektrodenanordnungen angewendet werden. Bekannte Folgestrom-Löschverfahren für Niederspannungs-Ableiter neben den erläuterten Varianten ist z. B. die Nutzung von hörnerförmigen Elektroden zur Lichtbogenverlängerung, häufig in Kombination mit Löschblechanordnungen, bzw. auch die Erzeugung von hohen Drücken zur Erhöhung der Lichtbogen-Feldstärke. Ebenso ist eine Reihenschaltung von mehreren Funkenstrecken zur Vervielfachung der Elektroden-Fallspannung denkbar.
Der Einsatz für Anordnungen mit hörnerförmigen Elektroden bedarf keiner näheren Erläuterung, da sowohl eine prinzipielle Lösung entsprechend Fig. 1, aber auch Anordnungen mit einem durch elektrisch leitfähige Stoffe verlängerten Elektrodenabstand, z. B. entsprechend Fig. 2, in einer symmetrischen oder auch unsymmetrischen Anordnung in bekannter Weise mit hörnerartigen Funkenstrecken versehen werden können. Die sich ausbildenden Folgestrom-Lichtbögen können bekanntermaßen nach der Verlängerung an den Hörnern den unterschiedlichsten Löschsystemen zugeführt werden.
Die Realisierung einer effektiven Folgestrombegrenzung ist jedoch auch durch einen starken Druckaufbau im Inneren der Funkenstrecke möglich. Hier sei beispielsweise auf die DE 196 04 947 C1 verwiesen. Dies wird zwar auch bei der Erzeugung von Hartgas mit realisiert, kann jedoch auch als Einzelmaßnahme finden. Selbiges ist z. B. bei Funkenstrecken von Vorteil, bei denen der Aufwand, der hinsichtlich der Strömung und der Kühlung des frei werdenden Gases notwendig ist, begrenzt werden soll, bzw. auch bei Funkenstrecken, bei denen eine möglichst geringe Alterung von Interesse ist.
Anordnungen entsprechend der DE 196 04 947 C1 sind grundsätzlich mit einer erfindungsgemäßen Zündhilfe realisierbar. Hartgasabgebende Stoffe können teilweise bzw. vollständig durch elektrisch leitfähige Stoffe mit linearer, aber auch mit nichtlinearer Charakteristik ersetzt werden. Dies können z. B. druckfeste leitfähige Keramiken, Faserkeramiken bzw. Verbundmaterialien mit leitfähigen Bestandteilen oder aber auch z.B. Materialien mit Varistorkennlinie oder einer PTC-Kennlinie sein. Der Druckaufbau wird durch das begrenzte Innenvolumen z. B. in einem Zylinder realisiert. Bei einem partiellen Einsatz von Hartgas kann z. B. eine Sandwichlösung eingesetzt werden.
Es ist jedoch auch möglich, eine poröse Grundstruktur, z. B. aus leitfähiger Keramik mit gasabgebenden Stoffen, z. B. POM zu füllen.
Ausführungsvarianten mit aktiver Triggerung zur Einbringung von Ladungsträgern in eine oder mehrere Teilfunkenstrecken für die Anwendung in Anlagen der Niederspannung zeigen die Fig. 8 bis 10.
Gemäß Fig. 8 ist die vorstehend erläuterte Zündhilfe auch bei einer Ausführungsform mit mehreren Teilfunkenstrecken einsetzbar und schränkt den Einsatz der allgemein bekannten Methoden zur Potentialsteuerung der Teilfunkenstrecken nicht ein.
Es ist jedoch zu beachten, dass Ableiter mit einer Reihenschaltung aus Teilfunkenstrecken üblicherweise auch extern angeschlossene Mittel zur Potentialsteuerung aufweisen. Dies können Impedanzen, Kapazitäten, lineare und nichtlineare Widerstände, deren Kombinationen bzw. auch zusätzliche externe Funkenstrecken, welche ebenfalls zur Potentialsteuerung eingesetzt werden, sein.
Unabhängig, welche Art von diskreten Elementen auch zur Potentialsteuerung eingesetzt wird, stellen diese Elemente und deren Kontaktstellen zu den einzelnen Teilfunkenstrecken einen Risikofaktor dar, da infolge sehr hoher Impulssteilheiten oder auch einer schlechten bzw. gealterten Kontaktgabe es zu partiellen oder auch vollständigen Außenüberschlägen und somit zur Zerstörung des Ableiters kommen kann. Gilt es also einen Ableiter der genannten Art sicher mit einer Zündhilfe und einem Ansprechwert < 1 kV zu zünden, so muss nicht nur die eigentliche Zündhilfe, sondern auch die Potentialsteuerung sicherer als üblich ausgeführt werden.
Dies kann gemäß Ausführungsbeispiel dadurch realisiert werden, dass anstelle einer Potentialsteuerung mit externen und diskreten Elementen ohnehin notwendige Bauteile so modifiziert werden, dass eine hinreichende, interne Potentialsteuerung möglich ist.
Hierfür werden einzelne Elektrode der Teilfunkenstrecken 20 durch Distanzhalter 21 getrennt. Das Material dieser Distanzhalter 21 kann bis auf die Strecke oder Strecken, welche mit einer Zündhilfe versehen ist, aus leitfähigem bzw. feldsteuerndem Material gefertigt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann eine äußere Ummantelung der eigentlichen Funkenstrecken mit einem isolierten, einseitig angeschlossenen Schirm zur Potentialverzerrung 22 verbunden werden.
Die Teilfunkenstrecke mit der Zündhilfe aus den Teilen 3, 3a und 4 wird so gestaltet, dass sie trotz eventuell auftretender Verschmutzungen, insbesondere durch den Abbrand der Zündelektrode, in der Lage ist, allein nach dem Ansprechen der Funkenstrecke die Belastung durch die wiederkehrende Netzspannung zu beherrschen.
Hierzu wird der Abstand der Elektroden 22 und 23 der über die Zündhilfe triggerbaren Teilfunkenstrecke gegenüber dem Abstand der anderen Teilfunkenstrecken erhöht. Zusätzlich kann zur besseren Beherrschung der wiederkehrenden Spannung für das Material der Hauptelektroden der triggerbaren Teilfunkenstrecken ein Material mit hoher Sofortverfestigung gewählt werden. Das Material der übrigen Teilstrecken hingegen sollte über einen geringen Abbrand und eine hohe Elektrodenfallspannung verfügen.
Die Distanzhalter 21 können aus elektrisch leitfähigen Polymeren bzw. Keramiken bestehen. Deren Widerstandscharakteristik kann linear, aber auch nichtlinear sein.
Bei einer potentialsteuernden Ausführung kann das Material der Distanzhalter 21 neben bestimmten dielektrischen Eigenschaften, wodurch eine kapazitätsbehaftete Steuerung möglich ist, zusätzlich auch mit Mikrovaristoren versehen sein, wodurch sich insbesondere bei hohen Steilheiten eine bessere potentialsteuernde Wirkung ergibt. Alternativ können die einzelnen elektrisch leitfähigen Kontakthalter auch einseitig oder beidseitig mit einer dünnen Isolationsschicht bzw. einer definiert schlechten Kontaktgabe versehen oder ausgeführt sein. Dies bedingt zwar eine minimale Ansprechspannung von z. B. einigen 10 V, fördert aber durch das raschere Austreten des Lichtbogens aus dem Material und die Funkenbildung die Ionisation der Teilfunkenstrecke und somit das Zünden der gesamten Funkenstrecke.
Selbstverständlich können die beschriebenen Maßnahmen zur Potentialsteuerung auch zur Reduzierung der Ansprechspannung der Teilfunkenstrecken 20 durch aus dem Bereich der Gasentladungsableiter bekannte Maßnahmen, z. B. dem Einsatz spezieller Gase oder Aktivierungsmaßnahmen unterstützt werden.
Gemäß Fig. 9 können die einzelnen Distanzhalter 21 der nicht triggerbaren Teilfunkenstrecken durch einen gemeinsamen Distanzhalter ersetzt werden. Bei einer elektrisch leitfähigen Ausführung der Distanzhalter 21 ist darauf zu achten, dass das leitfähige Material durch den fließenden Teilstrom nicht überlastet wird. Dies kann zum einen durch die Materialauswahl und zum anderen aber auch durch die geometrische Gestaltung im Sinne der Dicke und der Kontaktfläche beeinflusst werden.
Fig. 10 zeigt eine Gestaltungsvariante, bei der gemeinsam oder auch alternativ anwendbare Maßnahmen eingesetzt werden, um die Wahrscheinlichkeit eines unerwünschten äußeren Überschlags weiter zu verringern.
Hierzu werden im äußeren Bereich der Elektroden zusätzliche Isolationsmaßnahmen durchgeführt. Die Elektroden der Teilfunkenstrecken können im äußeren Bereich mit Isolationsmaterial 25 versehen sein. Der Innendurchmesser des isolierten Bereichs ist größer zu wählen, als der Innendurchmesser der Distanzhalter 21. Die Distanzhalter 21 können des weiteren ebenfalls am äußeren Umfang mit einem Ring aus Isolationsmaterial 26 umgeben sein.
Wird mit einer Anordnung entsprechend der Fig. 8 bis 10 eine Begrenzung der Folgeströme auf Werte von wenigen hundert Ampere oder kleiner realisiert, ist anstelle der triggerbaren Teilfunkenstrecken auch der Einsatz eines leistungsfähigen Gasableiters möglich, welcher dann die Ansprechspannung der Gesamtanordnung bestimmt.

Claims (43)

  1. Überspannungsschutzeinrichtung auf Funkenstreckenbasis, insbesondere für Niederspannungs-Anwendungen, umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektroden sowie mindestens eine Zündhilfselektrode, wobei im Gehäusevolumen eine Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke untergebracht ist, welche mit einer der Hauptelektroden und der Zündhilfselektrode in Verbindung steht,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke aus einer vollständig in das druckdichte Gehäuse integrierten, außerhalb des Lichtbogen-Brennraums befindlichen Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elements (4), einer Impedanz (3a) und einer Trennstrecke (e2) besteht, wobei die Trennstrecke (e2) durch den Abstand der Zündhilfselektrode (3) zur nächstliegenden Hauptelektrode (2) gebildet ist,
    so dass beim Auftreten einer Überspannung, welche die Summe der Ansprechspannungen des Schaltelements (4) und der Trennstrecke (e2) übersteigt, ein Strom von der ersten der Hauptelektroden (1) zur zweiten Hauptelektrode (2) fließt, mit der Folge, dass der die Trennstrecke (e2) überbrückende Lichtbogen Ladungsträger zur sofortigen Ionisation der Trennstrecken zwischen den Hauptelektroden (1, 2) bereitstellt, wodurch die Spannungsfestigkeit dieser Trennstrecke verringert ist und aufgrund des mit der Stromstärke steigenden Spannungsabfalls an der Impedanz (3a) ein Überschreiten der reduzierten Spannungsfestigkeit der Trennstrecke zwischen den Hauptelektroden eintritt, wodurch das gewünschte Zünden der Funkenstrecke erfolgt.
  2. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das spannungsschaltende Element ein Gasableiter ist.
  3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das spannungsschaltende Element eine Suppressordiode, ein Thyristor, ein Varistor und/oder eine definiert abbrandfeste Luft- oder Gleitfunkenstrecke ist.
  4. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zündhilfselektrode selbst impedanzbehaftet ausgeführt ist und einen komplexen Widerstand aufweist.
  5. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich die Zündhilfselektrode partiell im Lichtbogen-Brennraum befindet oder in diesen hineinreicht.
  6. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zündhilfselektrode aus einem leitfähigen Kunststoff besteht.
  7. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Impedanz aus einem Material mit nichtlinearem oder linearem Widerstandsverlauf besteht.
  8. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Impedanz aus einem leitfähigen Kunststoff oder einer leitfähigen Keramik besteht.
  9. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Impedanz diskret als Widerstand, Varistor oder Kapazität ausgeführt ist.
  10. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zündhilfselektrode gegenüber den Hauptelektroden isoliert ist, wobei die Ansprechspannungen der sich zu den Hauptelektroden jeweils ergebenden Teilstrecken unterschiedlich gewählt sind.
  11. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ansprechspannung der ersten Hauptelektrode zur Zündhilfselektrode viel größer als die Ansprechspannung der Trennstrecke (e2) ist.
  12. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Reduzierung der Ansprechspannung der Trennstrecke (e2) diese als dünne, abbrandfeste Isolierfolie, abbrandfeste Lackbeschichtung oder sonstige dünne Isolierschicht ausgebildet ist.
  13. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    diese Mittel zum Beströmen des Lichtbogens mit Hartgas aufweist.
  14. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zum Erzeugen des Hartgases ein hartgasabgebendes Material mindestens Abschnitte des Lichtbogen-Brennraums umgibt, wobei das hartgasabgebende Material zusätzlich leitfähige Eigenschaften aufweist, um das Potential einer der Hauptelektroden bis an die Trennstrecke der Zündhilfselektrode heranzuführen.
  15. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens eine Druckausgleichsöffnung zur Verhinderung eines sich über die Zeit akkumulierenden Druckanstiegs vorgesehen ist.
  16. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Druckausgleichsöffnung durch Gehäuse- oder Elektrodenmaterialien gebildet ist, welche gasdurchlässig sind.
  17. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens Abschnitte des Gehäuses aus porösem Polymermaterial, Keramik und/oder Metall bestehen.
  18. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    diese Mittel zur Restspannungsbegrenzung aufweist.
  19. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 18 und Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das leitfähige, hartgasabgebende Material, welches elektrisch mit einer der Hauptelektroden in Verbindung steht, eine definierte Geometrie sowie definierte elektrische Eigenschaften zum Zweck der Beeinflussung des Verlaufs und der Höhe der Restspannung besitzt.
  20. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Widerstand des hartgasabgebenden Materials gegenüber der Impedanz der Reihenschaltung niedrig ist.
  21. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das leitfähige, hartgasabgebende Material während der Belastung mit Stoßals auch mit Folgeströmen einen Teil des jeweils fließenden Gesamtstroms trägt.
  22. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 21,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Stromanteil, welcher vom leitfähigen, hartgasabgebenden Material geführt wird, über das Verhältnis des Widerstands dieses Materials zum Widerstandswert des Lichtbogens einstellbar ist.
  23. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 22,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der mittlere Wert des Widerstands des leitfähigen, hartgasabgebenden Materials größer als der durchschnittliche, mittlere Widerstandswert des Lichtbogens ist.
  24. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das spannungsschaltende Element und/oder die Impedanz zum Schutz vor thermischen oder mechanischen Belastungen in eine der Hauptelektroden integriert ist.
  25. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 24,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine der Hauptelektroden einen Hohlraum aufweist.
  26. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 25,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das spannungsschaltende Element in den Hohlraum, insbesondere einpolig isoliert, eingesetzt ist.
  27. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 26,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Hohlraum ein Innengewinde zur Aufnahme einer, das eingesetzte spannungsschaltende Element kontaktierenden Schraube aufweist.
  28. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zum Lichtbogen-Brennraum reichende Ende der Zündhilfselektrode im wesentlichen auf gleicher Höhe des in den Brennraum hineinreichenden Endes derjenigen Hauptelektrode liegt, welche der ersten Trennstrecke (e1) zugehörig ist.
  29. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zündhilfselektrode seitlich versetzt und/oder bezogen auf den Lichtbogen-Hauptbrennraum zurückgesetzt angeordnet ist.
  30. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein ergänzendes spannungsschaltendes Element zur nachträglichen Einstellung und/oder Anpassung der Ansprechspannung außerhalb der druckdichten Kapselung befindlich ist.
  31. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    gekennzeichnet durch
    eine Kombination aus einer triggerbaren Teilfunkenstrecke hoher Ansprechspannung und mindestens einer, nachgeordneten Teilfunkenstrecke niedriger Ansprechspannung.
  32. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 31,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere, nicht triggerbare Teilfunkenstrecken Mittel zur internen Potentialsteuerung aufweisen.
  33. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 32,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Teilfunkenstrecken über Distanzhalter mechanisch fixiert sind.
  34. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 33,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Distanzhalter aus einem leitfähigen, feldsteuernden Material bestehen.
  35. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 33 oder 34,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Distanzhalter und die Elektroden der Teilfunkenstrecken eine Ummantelung aufweisen.
  36. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 35,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ummantelung eine einseitig elektrisch angeschlossene Schirmung zur gezielten Potentialverzerrung umfasst oder als solche ausgebildet ist.
  37. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 36,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Abstand der Elektroden, welche die Teilfunkenstrecke mit Zündhilfselektrode bilden, größer als der Abstand der Elektroden der jeweils folgenden Teilfunkenstrecken gewählt ist.
  38. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 37,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Distanzhalter für nicht durch die Zündhilfselektrode triggerbare Teilfunkenstrecken als integrales Bauelement ausgeführt ist.
  39. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 38,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Vermeidung eines elektrischen Überschlags außerhalb des Lichtbogen-Brennraums zusätzliche Isolationsabschnitte oder Isoliermaterialien, bevorzugt im äußeren Bereich der Elektroden der Teilfunkenstrecken vorgesehen oder angeordnet sind.
  40. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 39,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Distanzhalter auf ihrer vom Lichtbogen-Brennraum entfernten Seite eine Isolationsbeschichtung oder -umhüllung aufweisen.
  41. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 40,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste, triggerbare Teilfunkenstrecke durch einen Gasableiter ersetzt ist, welcher die Ansprechspannung der Gesamtanordnung bestimmt.
  42. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch eine Hörnerfunkenstrecke.
  43. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch eine Stapelfunkenstrecke.
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