EP1833130B1 - Gekapselter Überspannungsableiter - Google Patents

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EP1833130B1
EP1833130B1 EP07111104.1A EP07111104A EP1833130B1 EP 1833130 B1 EP1833130 B1 EP 1833130B1 EP 07111104 A EP07111104 A EP 07111104A EP 1833130 B1 EP1833130 B1 EP 1833130B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
surge arrester
electrode
arrester according
encapsulated
electrodes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP07111104.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1833130A3 (de
EP1833130A2 (de
Inventor
Georg Wittmann
Edmund ZÄUNER
Peter Zahlmann
Arnd Erhardt
Bernhard Krauss
Michael Waffler
Stephan Hierl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE2000158977 external-priority patent/DE10058977B4/de
Priority claimed from DE2001118210 external-priority patent/DE10118210B4/de
Priority claimed from DE10125941A external-priority patent/DE10125941B4/de
Application filed by Dehn and Soehne GmbH and Co KG filed Critical Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Priority claimed from EP01990442A external-priority patent/EP1338064B1/de
Publication of EP1833130A2 publication Critical patent/EP1833130A2/de
Publication of EP1833130A3 publication Critical patent/EP1833130A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1833130B1 publication Critical patent/EP1833130B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/06—Mounting arrangements for a plurality of overvoltage arresters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
    • 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
    • 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 an encapsulated surge arrester according to the preamble of claim 1.
  • Multi-pole surge arresters which are resistant to surge current up to 100 kA and which contain a plurality of encapsulated spark gaps in a housing, but not in a 3 + 1 circuit, are known.
  • N-PE spark gaps are used to protect against overvoltages between the N and PE conductors.
  • spark gaps must have a very high surge current capability up to 100 kA 10/350 ⁇ s, in particular for protection against direct lightning strike.
  • Encapsulated spark gaps with such a performance are for example from DE 196 04 947 C1 .
  • These spark gaps have a protection level of ⁇ 2.5kV.
  • spark gaps with lower protection levels are required.
  • the use of trigger circuits is expedient.
  • Powerful N-PE spark gaps which also have an additional effective trigger electrode with consistently high performance, are not yet available.
  • the high current load, the associated high material erosion, the high dynamic loads due to current forces, pressure, energy and temperature make significant design demands with encapsulated arresters.
  • an overvoltage protection device which has coaxial main electrodes which are triggerable.
  • the connection of the electrodes takes place from the same side in order to effect a directed movement of the arc to a baffle plate within the spark gap.
  • the DE-AS 12 82 153 presents a spark gap that has a so-called expansion and a reflection space.
  • the reflection space is intended by the pressure generated during the arc ignition, the arc specifically press into the expansion chamber, on the one hand to protect the ignition from excessive burn and on the other hand to extend the arc, so that the quenching behavior of the spark gap is improved.
  • the surge arrester should meet the essential requirements, namely a high insulation capacity and a very high Stoßstromableitrac and it should be possible to perform triggerable with the help of a third electrode the surge arrester.
  • a coaxial construction is based at least partially on overlapping metallic main electrodes which have oppositely directed connections.
  • the main electrodes in conjunction with at least one insulating part, form an arc combustion chamber.
  • Such a surge arrester is for example out GB-A-2 203 286 known.
  • At least one of the main electrodes has an inner expansion space and is in the region of the insulating part a preferably provided radially or axially rotationally symmetrical trigger electrode.
  • the first main electrode is formed as a rod electrode with a cavity, which communicates via openings with the arc space on the flow side.
  • the rod electrode is centered and held with its connection remote end via a further insulating part within the surrounding second main electrode.
  • the expansion spaces may have a minimized pressure equalization opening, which is preferably formed in the region of the terminals.
  • the second isolation part has return flow channels to the expansion space of the second main electrode.
  • Both expansion spaces can be connected on the flow side by at least one insulating channel.
  • a respective response voltage can be specifically predefined.
  • At least one of the electrodes has an arc-facing landing or step for staggered response and safe fire-extinguishing capability even in the event of triggering failure.
  • the main electrodes may have groove-shaped contours, webs and / or cams for minimizing burnup on their surface facing the arc combustion chamber.
  • the second main electrode surrounding the first main electrode may constitute a substantial part of the encapsulation.
  • the first and / or second insulating part may have at least one circumferential web for supporting air punctures.
  • a quenching gas filling is preferably provided.
  • Fig. 1 a sectional view through a surge arrester with coaxial electrode structure
  • Fig. 2 a similar representation as in Fig. 1 disclosed, but with a gradation of an inner side of the second main electrode to provide a staggered response;
  • Fig. 3 a sectional view of a surge arrester with stepped version of the second main electrode for reducing the distance in the entire arc combustion chamber and with an additional radial isolation path to reduce the burn-off, in particular the trigger electrode;
  • Fig. 4 a sectional view of a surge arrester with a trigger electrode, which is arranged adjacent to the second main electrode in the axial direction.
  • FIGS. 1 to 4 assume a first main electrode 41 and a second main electrode 42, wherein the electrodes in the regions 45 have an electrical connection.
  • This connection can be realized for example by means of a screw connection.
  • the first main electrode is preferably designed as a rod electrode, which has a cavity 47 in the interior. This cavity 47 represents an inner expansion space.
  • the cavity 47 is connected to the arc combustion chamber 48 through at least one opening 49.
  • the first main electrode 41 projects partially into the tubular-shaped region of the second main electrode 42 in a coaxial arrangement. Specifically, this overlap area represents the desired coaxial structure.
  • an insulation part 44 between the first main electrode 41 and the second main electrode 42. This insulating part 44 then delimits the arc combustion chamber 48 simultaneously in the axial direction.
  • the insulating member 44 has suitable openings or flow channels 410, so that an additional cavity 47 within the second main electrode 42 is in communication with the arc combustion chamber 48.
  • a (first) insulating member 43 is disposed between the first main electrode 41 and the open end of the main electrode 42.
  • the insulation part 43 now has an additional third electrode 46 for triggering the main line between the first and second main electrodes.
  • This electrode or a plurality of electrodes 46 may be arranged rod-shaped, pin-shaped, but also annular.
  • a disk electrode is used which is coaxial with the first and second main electrodes is aligned.
  • the described spark gap is pressed or screwed with additional insulation in a pressure-resistant metal housing.
  • the force is applied in the direction of the axis of symmetry.
  • these parts extend in the radial direction from the axis of symmetry. In this way it is ensured that an influence on the operating voltage of the spark gap remains low both by the joining process and under thermal stress of the pressurized insulating parts.
  • one or more sparks 411 are fired from the trigger electrode 46 to one or both of the main electrodes 41 and / or 42.
  • the arc 100 ignites between the main electrodes 41 and 42.
  • the arc 100 is formed via a sliding discharge along the insulation paths 43 or 44 or by an air breakdown between the main electrodes 41 and 42nd
  • the arc 100 is in the arc combustion chamber 48 after ignition and can rotate around the first main electrode 41 in accordance with the coaxial arrangement within this space.
  • an overpressure due to the heating of the existing gases This overpressure would lead to increased mechanical stress on the parts and also increase the arc voltage, resulting in an unnecessarily high energy conversion within the spark gap and thus also to high thermal loads.
  • the expanding gas provided at least one additional cavity 47 as an expansion space, which is not directly exposed to the arc. After ignition of the arc, the heated gas can flow through the aforementioned openings or channels 49 and 410 in the expansion chamber 47. Due to the large volume there, the large heat capacity and the large surface area of the metal electrodes, the heated gas within these cavities is immediately cooled and relaxed.
  • Fig. 1 assumes an embodiment of separate expansion chambers 47, but it is also possible to connect the two chambers along the axis of symmetry by one or more channels which are insulated.
  • the arrangement shown can additionally have minimum pressure equalization openings, which provide pressure compensation with the environment after the decay of the pressure-side load. This is particularly advantageous when it comes to the decomposition of the materials used and thus the eventual additional gas formation within the spark gap by the action of the arc. Due to the location and the size of the pressure compensation openings, a rapid pressure equalization in the millisecond range or a slow pressure reduction in the range over minutes can take place.
  • Fig. 1 requires due to the positioning of the electrodes 41, 42 and 46 after the formation of the spark between the electrode 42 and 46, which only covers a portion of the overall arrangement, still a significant energy input until the entire separation distance between the electrodes 41 and 42 is ionized and therefore a flashover between the main electrodes can take place.
  • the possibility of tuning this energy requirement advantageously allows easy coordination of the N-PE arrester downstream protective devices.
  • triggerable arresters with a high requirement for trigger energy can thus be created, as a result of which a response of the main spark gap of the arrester only takes place in the case of high-energy surges.
  • the insulation member 44 is shortened by a step or step 412 in the electrode 42. This causes, in addition to the triggerable spark gap, a further independent spark gap with triggering independent response, which is significantly smaller than the response voltage of the sliding or air gap between the first and second main electrode 41 and 42 in the triggering available stands.
  • the possibility of a staggered response of the spark gap at different voltage slopes allows a decoupling of the behavior of the spark gap just at these different slopes of the voltage.
  • the spark gap is controlled by the trigger circuit and the corresponding trigger path.
  • an overhead ignition of the spark gap can be obtained, especially at high voltage gradients, which is characterized in that the trigger unit of the spark gap itself remains uninvolved. The spark gap ignites then, so to speak, automatically in the area grading 412 without stressing the trigger unit.
  • Fig. 3 shows a similar arrangement as Fig. 2
  • the paragraph or the gradation is extended so that there is a significant reduction in space in the entire arc combustion chamber 48 between the first and second main electrode 41/42.
  • An additional axial isolation path 413 also reduces the burnup on the insulation part 43 and the trigger electrode 46, since direct contact between these parts and the arc 100 can be avoided.
  • this isolation path 413 can also independently of paragraph 412 as in an embodiment of Fig. 1 be provided.
  • This arrangement ensures both the protection of the trigger electrode against excessive burnup and a reduction of the response voltage without triggering. Furthermore, with this arrangement, the required trigger energy can be reduced to a minimum.
  • the ignition spark generated in response of the trigger circuit between the trigger electrode 46 and the second main electrode 42 can, in particular with a minimum in the combustion chamber 48 protruding insulation part 414 and a smaller distance of the Main electrodes 41 and 42 already touch the first main electrode 41 when it is formed. As a result, the insulation gap between the main electrodes 41 and 42 is bridged abruptly and the trigger energy is kept to a minimum.
  • a partial isolation of the main electrode 41 within the combustion chamber 48 along the axis of symmetry and adjacent to the insulating members 43 and 44 for protection against Abbranderscheinept to the respective insulating parts or at the trigger electrode may be useful.
  • one or more circumferential contours e.g. be formed or introduced as grooves or patch webs.
  • individual patch knobs or other elevations for controlling the response voltage in the event of air blows or for controlling the burn-up behavior can be realized.
  • the insulating parts 43 and 44 may additionally be provided with at least one circumferential web (not shown) projecting into the combustion chamber 48.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen gekapselten Überspannungsableitergemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Mehrpolige Überspannungsableiter, die bis zu 100 kA stoßstromfest sind und die in einem Gehäuse mehrere gekapselte Funkenstrecken, allerdings nicht in 3+1-Schaltung, enthalten, sind bekannt.
  • Bei einer sogenannten 3+1-Schaltung werden die Außenleiter L1, L2, L3 gegen N und der N-Leiter wiederum gegen PE geschaltet.
  • Bei derartigen Ausführungsformen von mehrpoligen Überspannungsableitern in einem Gehäuse ist also ein interner Verdrahtungsebenen-Wechsel dann erforderlich, wenn alle Leiter (L1, L2, L3 und N) von einer Seite ausgeschlossen werden sollen.
  • Wird eine solche interne Verdrahtung durch eine zusätzliche Brücke realisiert, sind mindestens zwei weitere Schraub- oder Schweißverbindungen zur elektrischen Kontaktierung erforderlich. Aufgrund der Tatsache, dass eine derartige Brücke einer sehr hohen mechanischen Belastung bei den erwähnten möglichen Stoßströmen bis in den Bereich um 100 kA ausgesetzt ist, muss für eine entsprechende Dimensionierung und mechanische Ausführung Sorge getragen werden.
  • Ein weiteres Problem bei den Ausführungsformen von mehrpoligen Ableitern mit Verdrahtungsebenen-Wechsel besteht darin, dass nach Möglichkeit kein zusätzlicher Bauraum für die Brücke selbst in Anspruch genommen werden soll, um die Außenabmessungen des Gehäuses nicht zu verändern bzw. um Standardgehäuse einzusetzen, die auch für andere Applikationen geeignet sind.
  • Ebenso ist aus Gründen der Bauraumminimierung die Triggerschaltung bzw. eine Ansteuerschaltung im Gehäuse zu integrieren, wobei die elektrischen Anschlussstellen mit Blick auf den Montage- und Fertigungsaufwand auszubilden sind.
  • In Niederspannungsnetzen werden zum Schutz vor Überspannungen zwischen dem N- und PE-Leiter sogenannte N-PE-Funkenstrecken eingesetzt.
  • Diese Funkenstrecken müssen insbesondere zum Schutz bei direktem Blitzeinschlag über ein sehr hohes Stoßstromableitvermögen bis hin zu 100 kA 10/350µs verfügen.
  • Gekapselte Funkenstrecken mit einem derartigen Leistungsvermögen sind beispielsweise aus der DE 196 04 947 C1 , DE 198 18 674 A1 oder DE 298 10 937 U1 vorbekannt. Diese Funkenstrecken verfügen über einen Schutzpegel von ≥ 2,5kV.
  • In bestimmten Anwendungsfällen sind jedoch Funkenstrecken mit niedrigeren Schutzpegeln erforderlich. Zur Realisierung dieser Anforderungen ist der Einsatz von Triggerschaltungen zweckmäßig. Leistungsfähige N-PE-Funkenstrecken, die auch eine zusätzliche wirksame Triggerelektrode bei gleichbleibend hohem Leistungsvermögen aufweisen, stehen noch nicht zur Verfügung. Die hohe Strombelastung, der damit verbundene hohe Materialabbrand, die hohen dynamischen Belastungen durch Stromkräfte, Druck, Energie und Temperatur stellen erhebliche konstruktive Anforderungen bei gekapselten Ableitern.
  • Überspannungsableiter mit koaxialen Elektrodenanordnungen, die aufgrund der gegebenen Rotationssymmetrie fertigungsseitig von Vorteil sind, wurden beispielsweise in der EP 0 840 413 A1 oder EP 0 771 055 A1 offenbart. Dort ist eine Elektrode beidseitig isoliert durch ein Rohr geführt, welches gleichzeitig die äußere Elektrode und den Gehäusemantel darstellt. Das Einbringen einer zusätzlichen Triggerelektrode ist nicht oder nur erschwert möglich. Darüber hinaus würde eine zusätzliche Elektrode unmittelbar in dem Brennbereich des Lichtbogens angeordnet sein und somit das Brennverhalten des Lichtbogens beeinflussen und einem starken Abbrand unterliegen. Gemäß DE 35 28 556 A1 oder EP 0 242 688 B1 werden koaxiale Elektrodenanordnungen durch ein einseitiges Hineinragen einer Stabelektrode in eine Rohrelektrode gebildet. Bei den zitierten Lösungen ist das Einbringen einer dritten Elektrode nicht vorgesehen und auch nur schwer zu realisieren. Des weiteren besteht bei der Zündung von insbesondere stromstarken bzw. lang andauernden Lichtbögen die Gefahr, dass diese aus dem koaxialen Elektrodenbereich austreten und die Kapselung der Funkenstrecke nachhaltig schädigen. Vorhandene Hohlräume außerhalb des bevorzugten Brennraums können nicht zur Druckentlastung oder als Expansionsraum genutzt werden, da die Wärmeabgabe an das Isolationsmaterial der Gehäusewand äußerst ineffektiv ist.
  • Aus der US 3,849,704 , aber auch der DE 198 17 063 A1 sind gekapselte Funkenstrecken mit koaxialer Elektrodenanordnung vorbekannt.
  • Gemäß DE 198 17 063 A1 nimmt der Elektrodenabstand mit zunehmender Entfernung von der Überschlagsstelle zu. Ziel ist es hier, eine Lichtbogenwanderung mit Lichtbogenverlängerung zur Erhöhung des Löschvermögens bei Netzfolgestrom zu erreichen. Die Verlängerung des Lichtbogens führt jedoch zwangsläufig zu höheren Energieumsätzen und stärkeren Temperatur- und Druckbelastungen, welche insbesondere bei N-PE-Funkenstrecken unnötig und darüber hinaus unerwünscht sind.
  • Ebenso wenig verfügen die zitierten Überspannungs-Schutzelemente über eine dritte Elektrode zur Triggerung. Der oben zitierte Stand der Technik zeigt auch keine Expansionsräume, in welchen das aufgeheizte Gas nach bzw. auch während der Belastung effektiv abgekühlt werden kann. Eine solche Maßnahme ist jedoch insbesondere bei N-PE-Funkenstrecken in gekapselter Ausführung sehr wesentlich, da so die Druckbelastung, die Bogenspannung und somit der Energieumsatz und die Temperaturbelastung auf ein Mindestmaß begrenzt werden können.
  • Aus der DE 100 08 764 A1 wiederum ist eine Überspannungs-Schutzeinrichtung bekannt, die koaxiale Hauptelektroden aufweist, welche triggerbar sind. Der Anschluss der Elektroden erfolgt von der gleichen Seite, um innerhalb der Funkenstrecke eine gerichtete Bewegung des Lichtbogens zu einer Prallplatte zu bewirken.
  • Dies führt jedoch zu einer Verlängerung und Aufteilung des Lichtbogens, wodurch eine Löschung von Netzfolgeströmen unterstützt werden soll. Die Verlängerung des Lichtbogens ist, wie bereits dargelegt, für N-PE-Funkenstrecken nicht zweckmäßig. Weiterhin besitzt die bekannte Funkenstrecke keine geeigneten Expansionsräume, welche eine Abkühlung der heißen Gase ermöglichen. Der entstehende hohe Druck bewirkt so eine unerwünschte Erhöhung der Lichtbogenspannung und beansprucht das Gehäuse der Funkenstrecke in mechanischer Hinsicht unnötig. Ein Reduzieren der Druckbelastung kann nur durch große Auslassöffnungen erfolgen, welche schon bei der Lichtbogenentstehung wirksam sind, realisiert werden. Dabei jedoch besteht die Gefahr eines unerwünschten Austritts von elektrisch leitenden Gasen.
  • Die DE-AS 12 82 153 stellt eine Funkenstrecke vor, die über einen sogenannten Expansions- und einen Reflexionsraum verfügt. Der Reflexionsraum soll durch den Druck, der bei der Lichtbogenzündung entsteht, den Lichtbogen gezielt in den Expansionsraum drücken, um einerseits die Zündstelle vor zu starkem Abbrand zu schützen und um andererseits den Lichtbogen zu verlängern, so dass das Löschverhalten der Funkenstrecke verbessert ist.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten gekapselten Überspannungsableiter mit einer Funkenstreckenanordnung anzugeben, welcher auch als N-PE-Ableiter in einer Kompaktanordnung eingesetzt werden kann. Der Überspannungsableiter soll die wesentlichen Anforderungen, nämlich ein hohes Isolationsvermögen und ein sehr hohes Stoßstromableitvermögen erfüllen und es soll die Möglichkeit bestehen, mit Hilfe einer dritten Elektrode den Überspannungsableiter triggerbar auszuführen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem gekapselten Überspannungsableiter nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
  • Bei dem erfindungsgemäß weitergebildeten Überspannungsableiter wird von einer koaxialen Konstruktion mindestens teilweise sich überlappender metallischer Hauptelektroden ausgegangen, die entgegengesetzt gerichtete Anschlüsse besitzen. Die Hauptelektroden schließen in Verbindung mit mindestens einem Isolationsteil einen Lichtbogenbrennraum ein Solch einer Überspannungsableiter ist z.B. aus GB-A-2 203 286 bekannt.
  • Erfindungsgemäß weist mindestens eine der Hauptelektroden einen inneren Expansionsraum auf und es ist im Bereich des Isolationsteils eine vorzugsweise radial- oder axial-rotationssymmetrisch verlaufende Triggerelektrode vorgesehen.
  • Die erste Hauptelektrode ist als Stabelektrode mit einem Hohlraum ausgebildet, wobei dieser über Öffnungen mit dem Lichtbogenbrennraum strömungsseitig in Verbindung steht.
  • Gemäß der Erfindung ist die Stabelektrode mit ihrem anschlussfernen Ende über ein weiteres Isolationsteil innerhalb der umgebenden, zweiten Hauptelektrode zentriert und gehalten.
  • Im Anschlussbereich der zweiten, hohlzylindrisch ausgebildeten äußeren Hauptelektrode ist ein weiterer Expansionsraum vorhanden.
  • Die Expansionsräume können eine minimierte Druckausgleichsöffnung aufweisen, welche bevorzugt im Bereich der Anschlüsse ausgebildet ist.
  • Das zweite Isolationsteil besitzt Rückstromkanäle hin zum Expansionsraum der zweiten Hauptelektrode.
  • Beide Expansionsräume können durch mindestens einen isolierenden Kanal strömungsseitig in Verbindung stehen.
  • Über eine Variation des radialen Abstands zwischen den koaxial angeordneten, teilweise überlappenden Elektroden ist eine jeweilige Ansprechspannung gezielt vorgebbar.
  • Mindestens eine der Elektroden weist einen zum Lichtbogenbrennraum gerichteten Absatz oder eine Stufung für ein gestaffeltes Ansprechverhalten und sicheres Löschvermögen auch bei Ausfall der Triggerung auf.
  • Erfindungsgemäß ist weiterhin die Möglichkeit gegeben, den Lichtbogenbrennraum durch einen auf die Stabelektrode aufgebrachten umlaufenden Steg teilbar auszuführen.
  • Die Hauptelektroden können auf ihrer zum Lichtbogenbrennraum gerichteten Oberfläche rillenförmige Konturen, Stege und/oder Nocken zur Abbrandminimierung aufweisen.
  • Die die erste Hauptelektrode umgebende zweite Hauptelektrode kann einen wesentlichen Teil der Kapselung darstellen.
  • Das erste und/oder zweite Isolationsteil kann mindestens einen umlaufenden Steg zur Unterstützung von Luftdurchschlägen aufweisen.
  • Bei einer druckdichten Ausführungsform des Überspannungsableiters ist bevorzugt eine Löschgasfüllung vorgesehen.
  • Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung von zwei ineinander ausgeführten Elektroden in koaxialer Lage aus abbrandfestem Material mit entgegengesetzten Anschlüssen, wobei die Hauptelektroden über innere Expansionsräume verfügen, entsteht eine Konfiguration, die das Einbringen einer rotationssymmetrischen dritten sogenannten Triggerelektrode erlaubt. Die Gesamtanordnung besitzt ein hohes Isolationsvermögen bei entsprechend hohem Stoßstromableitvermögen und ist daher insbesondere für den Einsatz als N-PE-Funkenstrecke bestimmt.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
  • Hierbei zeigen:
  • Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen Überspannungsableiter mit koaxialer Elektrodenstruktur;
  • Fig. 2 eine ähnliche Darstellung wie in Fig. 1 offenbart, jedoch mit einer Abstufung einer Innenseite der zweiten Hauptelektrode zur Schaffung eines gestaffelten Ansprechverhaltens;
  • Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Überspannungsableiters mit gestufter Ausführung der zweiten Hauptelektrode zur Abstandsreduzierung in der gesamten Lichtbogenbrennkammer und mit einer zusätzlichen radialen Isolationsstrecke zur Verringerung des Abbrands insbesondere der Triggerelektrode; und
  • Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Überspannungsableiters mit einer Triggerelektrode, welche der zweiten Hauptelektrode in axialer Richtung benachbart angeordnet ist.
  • Die Figuren 1 bis 4 gehen von einer ersten Hauptelektrode 41 und einer zweiten Hauptelektrode 42 aus, wobei die Elektroden in den Bereichen 45 über einen elektrischen Anschluss verfügen. Dieser Anschluss kann beispielsweise mittels einer Schraubverbindung realisiert werden.
  • Die erste Hauptelektrode ist bevorzugt als Stabelektrode ausgebildet, welche im Inneren über einen Hohlraum 47 verfügt. Dieser Hohlraum 47 stellt einen inneren Expansionsraum dar.
  • Der Hohlraum 47 ist durch mindestens eine Öffnung 49 mit dem Lichtbogenbrennraum 48 verbunden.
  • Die erste Hauptelektrode 41 ragt partiell in den rohrförmig ausgebildeten Bereich der zweiten Hauptelektrode 42 in koaxialer Anordnung hinein. Konkret stellt dieser Überlappungsbereich die angestrebte koaxiale Struktur dar.
  • Durch die topfförmige Ausbildung der zweiten Hauptelektrode 42 kann diese unmittelbar einen Teil der Kapselung der gesamten Funkenstrecke bilden, so dass der Aufwand in technologischer, aber auch materialseitiger Hinsicht reduziert wird.
  • Zur Verbesserung der Führung und Justage besteht die Möglichkeit, zwischen der ersten Hauptelektrode 41 und der zweiten Hauptelektrode 42 ein Isolationsteil 44 anzuordnen. Dieses Isolationsteil 44 begrenzt dann in axialer Richtung gleichzeitig den Lichtbogenbrennraum 48.
  • Bevorzugt besitzt das Isolationsteil 44 geeignete Öffnungen oder Durchströmkanäle 410, so dass ein zusätzlicher Hohlraum 47 innerhalb der zweiten Hauptelektrode 42 mit dem Lichtbogenbrennraum 48 in Verbindung steht.
  • Um nun eine vollständige Kapselung der Elektrodenanordnung zu erreichen und um den Brennraum weiterhin zu begrenzen, wird zwischen der ersten Hauptelektrode 41 und dem offenen Ende der Hauptelektrode 42 ein (erstes) Isolationsteil 43 angeordnet.
  • Eine Lösung, bei der die Kapselung außerhalb der Hauptelektrodenanordnung erfolgt und bei der die Lichtbogenkammer nicht unmittelbar durch Isolationsteile begrenzt ist, liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung.
  • Das Isolationsteil 43 weist nun eine zusätzliche dritte Elektrode 46 zur Triggerung der Hauptstrecke zwischen erster und zweiter Hauptelektrode auf. Diese Elektrode oder mehrere Elektroden 46 können stabförmig, stiftförmig, aber auch ringförmig angeordnet sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Scheibenelektrode eingesetzt, welche koaxial zu der ersten und zweiten Hauptelektrode ausgerichtet ist.
  • Vorzugsweise wird die beschriebene Funkenstrecke mit einer zusätzlichen Isolierung in einem druckfesten Metallgehäuse verpresst oder verschraubt.
  • Die Krafteinwirkung erfolgt dabei in Richtung der Symmetrieachse. Um die möglichen Überschlagswege der Funkenstrecke entlang der Isolationsteile 43 und 44 von der Krafteinwirkung beim Fügeprozess weitestgehend zu entkoppeln, erstrecken sich diese Teile in radialer Richtung von der Symmetrieachse. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass eine Beeinflussung der Ansprechspannung der Funkenstrecke sowohl durch den Fügeprozess als auch bei thermischer Belastung der unter Druck stehenden Isolationsteile gering bleibt.
  • Die Funktionsweise der Anordnung soll nachstehend erläutert werden.
  • Bei Triggerung der Funkenstrecke werden ein oder mehrere Zündfunken 411 von der Triggerelektrode 46 zu einer oder zu beiden der Hauptelektroden 41 und/oder 42 gezündet.
  • Darauf zündet der Lichtbogen 100 zwischen den Hauptelektroden 41 und 42. In dem Fall, wenn die Funkenstrecke ohne Triggerelektrode 6 ausgeführt ist, bildet sich der Lichtbogen 100 über eine Gleitentladung entlang der Isolationsstrecken 43 oder 44 oder aber auch durch einen Luftdurchschlag zwischen den Hauptelektroden 41 und 42.
  • Der Lichtbogen 100 befindet sich nach dem Zünden im Lichtbogenbrennraum 48 und kann entsprechend der koaxialen Anordnung innerhalb dieses Raums um die erste Hauptelektrode 41 rotieren. Zum Zeitpunkt der Lichtbogenzündung entsteht innerhalb des Brennraums 48 ein Überdruck durch die Erwärmung der vorhandenen Gase. Dieser Überdruck würde zu einer erhöhten mechanischen Belastung der Teile führen und zudem die Lichtbogenbrennspannung erhöhen, wodurch es zu einem unnötig hohen Energieumsatz innerhalb der Funkenstrecke und damit auch zu starken thermischen Belastungen kommt.
  • Auch würde die starke Aufheizung aller Teile im Brennraum das Verlöschen des Lichtbogens erschweren. Zur Vermeidung dieser negativen Erscheinungen wird innerhalb der Funkenstrecke dem expandierenden Gas mindestens ein zusätzlicher Hohlraum 47 als Expansionsraum zur Verfügung gestellt, welcher dem Lichtbogen nicht unmittelbar ausgesetzt ist. Nach Zündung des Lichtbogens kann das erhitzte Gas über die erwähnten Öffnungen oder Kanäle 49 bzw. 410 in die Expansionskammer 47 abströmen. Durch das dortige große Volumen, die große Wärmekapazität und die große Oberfläche der Metallelektroden wird das erhitzte Gas innerhalb dieser Hohlräume sofort abgekühlt und entspannt.
  • Die Druckerhöhung, die Bogenbrennspannung und der Energieumsatz innerhalb der Brennkammer werden somit auf ein Minimum beschränkt.
  • Fig. 1 geht von einer Ausführungsform getrennter Expansionskammern 47 aus, jedoch besteht auch die Möglichkeit, die beiden Kammern entlang der Symmetrieachse durch einen oder mehrere Kanäle, welche isoliert sind, miteinander zu verbinden.
  • Im Bereich der Kontaktierung 45 bzw. an einer Stelle innerhalb der Expansionsräume 47 kann die gezeigte Anordnung zusätzlich über minimale Druckausgleichsöffnungen verfügen, die nach dem Abklingen der druckseitigen Belastung für einen Druckausgleich mit der Umgebung sorgen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es innerhalb der Funkenstrecke durch die Lichtbogeneinwirkung zur Zersetzung der verwendeten Materialien und somit zur eventuellen zusätzlichen Gasbildung kommt. Durch die Lage und die Größe der Druckausgleichsöffnungen kann ein schneller Druckausgleich im Millisekundenbereich oder ein langsamer Druckabbau im Bereich über Minuten erfolgen.
  • Die Anordnung nach Fig. 1 benötigt aufgrund der Positionierung der Elektroden 41, 42 und 46 nach der Entstehung des Zündfunkens zwischen der Elektrode 42 und 46, der nur eine Teilstrecke der Gesamtanordnung überschlägt, noch einen erheblichen Energieeintrag, bis die gesamte Trennstrecke zwischen den Elektroden 41 und 42 ionisiert wird und demnach ein Überschlag zwischen den Hauptelektroden erfolgen kann. Die Möglichkeit der Abstimmung dieses Energiebedarfs erlaubt jedoch in vorteilhafter Weise die einfache Koordination des N-PE-Ableiters mit nachgeordneten Schutzeinrichtungen.
  • Durch eine entsprechende Gestaltung der Elektrodenanordnung insgesamt können somit triggerbare Ableiter mit einem hohen Bedarf an Triggerenergie geschaffen werden, wodurch ein Ansprechen der Hauptfunkenstrecke des Ableiters erst bei energiereichen Überspannungen erfolgt.
  • Vorstehendes erhöht die Störunempfindlichkeit des Netzes und gewährleistet die bessere Ausnutzung der Leistungsfähigkeit der nachgeordneten Schutzeinrichtungen. Andererseits kann jedoch auch durch eine Gestaltung der Elektrodenanordnung, wie in Fig. 4 gezeigt, ein Ableiter geschaffen werden, der schon bei extrem leistungsarmen Überspannungen anspricht und somit auch als Einzelgerät einsetzbar ist.
  • Bei einem Ausfall der Triggerelektrode 46 weist die Funkenstrecke aufgrund der mittigen Anordnung der Triggerelektrode 46 und der dadurch bedingten zweifachen Isolationsstrecke recht hohe Ansprechwerte auf.
  • Um hier eine gewisse Notlaufeigenschaft der Funkenstrecke zu erreichen, wird nach Fig. 2 das Isolationsteil 44 durch einen Absatz oder eine Stufung 412 in der Elektrode 42 verkürzt. Dies bewirkt, dass neben der durch die Triggerung ansteuerbaren Funkenstrecke eine weitere unabhängige Funkenstrecke mit von der Triggerung unabhängiger Ansprechspannung, die deutlich kleiner als die Ansprechspannung der Gleit- bzw. Luftstrecke zwischen erster und zweiter Hauptelektrode 41 und 42 im Bereich der Triggerung ist, zur Verfügung steht.
  • Gleichzeitig ergibt sich bei dieser Konstruktion die Möglichkeit eines gestaffelten Ansprechverhaltens der Funkenstrecke bei unterschiedlichen Spannungssteilheiten. Dies erlaubt eine Entkopplung des Verhaltens der Funkenstrecke eben bei diesen unterschiedlichen Steilheiten der Spannung. Bei kleinen Steilheiten wird die Funkenstrecke durch die Triggerschaltung und die entsprechende Triggerstrecke gesteuert. Dagegen kann insbesondere bei hohen Spannungssteilheiten ein Überkopfzünden der Funkenstrecke erwirkt werden, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Triggereinheit der Funkenstrecke selbst unbeteiligt bleibt. Die Funkenstrecke zündet dann sozusagen selbsttätig im Bereich der Stufung 412, ohne dass die Triggereinheit belastet wird.
  • Durch das nicht gezeigte Anbringen eines hohen umlaufenden Steges aus Isolationsmaterial auf der ersten Hauptelektrode 41 im Lichtbogenbrennraum kann dieser unterteilt werden, und zwar in einen Bereich mit Triggerelektrode und einen Bereich ohne Triggerelektrode. Bei dieser Anordnung ergibt sich der Vorteil, dass bei normaler Funktionsweise nur die Brennkammer mit der Triggerelektrode belastet wird und die andere Brennkammer unbelastet bleibt, wodurch im Notfall, d.h. bei Ausfall der Triggerung, die angestrebten Notlaufeigenschaften garantiert werden können, da keine Beeinträchtigung dieser Brennkammern durch Abbrand, Temperatur oder Verschmutzung eben bis zum gegebenen Notfall erfolgt ist. Eine solche Funktionsweise lässt sich auch mit zwei vollständig unabhängigen und getrennten Brennräumen realisieren.
  • Fig. 3 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 2, jedoch ist hier der Absatz oder die Stufung so weit verlängert, dass sich eine deutliche Abstandsreduzierung in der gesamten Lichtbogenbrennkammer 48 zwischen erster und zweiter Hauptelektrode 41/42 ergibt. Durch eine zusätzliche axiale Isolationsstrecke 413 wird zudem der Abbrand an dem Isolationsteil 43 und der Triggerelektrode 46 reduziert, da ein direktes Berühren dieser Teile mit dem Lichtbogen 100 vermieden werden kann. Selbstverständlich kann diese Isolationsstrecke 413 auch unabhängig vom Absatz 412 wie bei einer Ausführungsform nach Fig. 1 vorgesehen sein.
  • Eine Anordnung, bei der die Triggerelektrode 46 der zweiten Hauptelektrode 42 in axialer Richtung nachgeordnet wurde, zeigt Fig. 4.
  • Diese Anordnung gewährleistet sowohl den Schutz der Triggerelektrode vor zu starkem Abbrand als auch eine Reduzierung der Ansprechspannung ohne Triggerung. Des weiteren kann mit dieser Anordnung die benötigte Triggerenergie auf ein Minimum reduziert werden. Der beim Ansprechen der Triggerschaltung zwischen der Triggerelektrode 46 und der zweiten Hauptelektrode 42 entstehende Zündfunke kann insbesondere bei einem minimal in den Brennraum 48 hineinstehenden Isolationsteil 414 und einem geringeren Abstand der Hauptelektroden 41 und 42 bereits bei seiner Entstehung die erste Hauptelektrode 41 berühren. Dadurch wird die Isolationsstrecke zwischen den Hauptelektroden 41 und 42 schlagartig überbrückt und die Triggerenergie auf ein Minimum beschränkt.
  • Bei der Anordnung nach Fig. 4 kann eine partielle Isolation der Hauptelektrode 41 innerhalb der Brennkammer 48 entlang der Symmetrieachse und angrenzend an die Isolationsteile 43 und 44 zum Schutz vor Abbranderscheinungen an den jeweiligen Isolationsteilen bzw. auch an der Triggerelektrode sinnvoll sein.
  • Zur Unterstützung der gewünschten Bogenrotation und zur Vermeidung einer zu starken Anlagerung von Schmelzmaterial können in die Hauptelektroden 41 und 42 innerhalb des Brennraums 48 eine oder mehrere umlaufende Konturen, z.B. als Rillen oder aufgesetzte Stege eingeformt oder eingebracht werden. Ebenfalls sind einzelne aufgesetzte Noppen bzw. sonstige Erhöhungen zur Steuerung der Ansprechspannung bei Luftdurchschlägen bzw. zur Kontrolle des Abbrandverhaltens realisierbar.
  • Zur Unterstützung von Luftdurchschlägen können auch die Isolationsteile 43 und 44 zusätzlich mit mindestens einem in den Brennraum 48 hineinragenden umlaufenden Steg (nicht gezeigt) versehen sein.
  • Bezugszeichenliste
  • 41 erste Hauptelektrode
  • 42 zweite Hauptelektrode
  • 43 äußeres Isolationsteil
  • 44 inneres Isolationsteil
  • 45 Anschlüsse
  • 46 Triggerelektrode
  • 47 Expansionsraum
  • 48 Lichtbogenbrennraum
  • 49 Öffnungen
  • 410 Durchströmkanäle
  • 411 Zündfunken
  • 100 Lichtbogen
  • 412 Absatz oder Stufung
  • 413 sich axial erstreckendes Isolationsteil
  • 414 hineinstehendes Isolationsteil

Claims (14)

  1. Gekapselter Überspannungsableiter mit einer Funkenstreckenanordnung, umfassend zwei koaxial zueinander liegende, sich mindestens teilweise überlappende metallische Hauptelektroden (41; 42) mit entgegengesetzt gerichteten Anschlüssen, wobei die Hauptelektroden (41; 42) in Verbindung mit mindestens einem Isolationsteil einen Lichtbogenbrennraum bilden, dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens eine der Hauptelektroden (41) einen inneren Expansionsraum (47) aufweist und dass im Bereich eines äußeren Isolationsteils (43) eine vorzugsweise radial oder axial rotationssymmetrisch verlaufende Triggerelektrode (46) vorgesehen ist, wobei die erste Hauptelektrode (41) als Stabelektrode mit Hohlraum (47) ausgebildet ist, wobei dieser über Öffnungen (49) mit dem Lichtbogenbrennraum (48) strömungsseitig in Verbindung steht und die Stabelektrode mit ihrem anschlussfernen Ende über ein weiteres, inneres Isolationsteil (44) innerhalb der umgebenden zweiten Hauptelektrode (42) zentriert und gehalten ist.
  2. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Anschlussbereich der zweiten, hohlzylindrisch ausgebildeten Hauptelektrode (42) ein weiterer Expansionsraum (47) vorhanden ist.
  3. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der oder die Expansionsräume (47) eine minimierte Druckausgleichsöffnung aufweisen, welche bevorzugt im Bereich der Anschlüsse (45) ausgebildet ist.
  4. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zweite, innere Isolationsteil (44) Durchströmkanäle (410) hin zum Expansionsraum (47) aufweist.
  5. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    beide Expansionsräume (47) durch mindestens einen isolierenden Kanal in Verbindung stehen.
  6. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    über eine Variation des radialen Abstands zwischen den koaxial angeordneten, teilweise überlappenden Elektroden (41; 42) die jeweilige Ansprechspannung vorgebbar ist.
  7. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens eine der Elektroden einen zum Lichtbogenbrennraum gerichteten Absatz oder eine Stufung für ein gestaffeltes Ansprechverhalten und sicheres Löschvermögen auch bei Ausfall der Triggerung besitzt.
  8. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Lichtbogenbrennraum (48) durch einen auf die Stabelektrode aufgebrachten, umlaufenden Steg teilbar ist.
  9. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Hauptelektroden (41; 42) auf ihrer zum Lichtbogenbrennraum (48) gerichteten Oberfläche rillenförmige Konturen, Stege und/oder Noppen aufweisen.
  10. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die die erste Hauptelektrode (41) umgebende zweite Hauptelektrode (42) einen Teil der Überspannungsableiter-Kapselung bildet.
  11. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Elektroden (41; 42)aus abbrandfestem Werkstoff, insbesondere Wolfram-Kupfer oder Graphit und die Isolationsteile aus einem gasabgebenden Kunststoff bestehen.
  12. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste und/oder zweite Isolationsteil (43; 44) mindestens einen umlaufenden Steg zur Unterstützung von Luftdurchschlägen aufweisen.
  13. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    beim druckdichten Verbinden mittels Verpressen, Verschrauben oder dergleichen die Wirkkräfte in Symmetrieachsenrichtung orientiert sind.
  14. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    gekennzeichnet durch
    seine Verwendung als N-PE-Funkenstrecke.
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