EP2057724A1 - Gekapselter, druckfest ausgeführter blitzstromtragfähiger überspannungsableiter mit netzfolgestromlöschvermögen - Google Patents

Gekapselter, druckfest ausgeführter blitzstromtragfähiger überspannungsableiter mit netzfolgestromlöschvermögen

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EP2057724A1
EP2057724A1 EP07821883A EP07821883A EP2057724A1 EP 2057724 A1 EP2057724 A1 EP 2057724A1 EP 07821883 A EP07821883 A EP 07821883A EP 07821883 A EP07821883 A EP 07821883A EP 2057724 A1 EP2057724 A1 EP 2057724A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spacer
surge arrester
main electrodes
arrester according
channels
Prior art date
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Application number
EP07821883A
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English (en)
French (fr)
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EP2057724B1 (de
Inventor
Arnd Ehrhardt
Stefanie Schreiter
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Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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Publication date
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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
    • H01T4/10—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, flameproof surge current-carrying surge arrester with reticule current extinguishing capability, comprising two spaced-apart, isolated main electrodes, according to the preamble of patent claim 1.
  • the discharge space is divided into a plurality of parallel chambers, which are connected transversely to the running direction with openings for pressure equalization.
  • the local chambers serve for the ignition of parallel arcs and the uniform pressure load with powerful pulses.
  • the prior art includes extending the separation distance between main electrodes of a spark gap by conducting or semiconducting materials.
  • the aim of extending the main separation line is to improve the subsequent current extinguishing capacity by increasing the arc voltage.
  • the channels for the discharge must on the one hand be as small as possible in order to achieve a high arc voltage at subsequent currents.
  • the channels should have the largest possible cross-section in order to limit the arc voltage and thus the power consumption in pulse discharges. This is necessary, on the one hand, for reasons of reducing the load on the spark gap and, on the other hand, in order to ensure the lowest possible protection level and sufficient coordination capability with other overvoltage protection devices or terminals of modern arrester modules.
  • the discharge preferably takes place only in a discharge channel, wherein the choice of the geometry and the material of this channel, the arc voltage can be influenced independently of the load at pulsed discharges.
  • This characteristic allows a division of the discharge channel into parallel channels.
  • the mentioned characteristic results u. a. from the high voltage requirement and the mechanisms for the provision of charge carriers.
  • the spacers may also consist of an insulating or non-conductive material.
  • the material and the geometry of the channels within the spacer or spacers or spacers is chosen so that at least in pulsed discharges with currents in the kA range, a discharge with positive current-voltage characteristic is generated even in air over a longer period of time.
  • the arc within the spark gap is at least Partially converted from a so-called Freibumbleden arc in a wall-stabilized arc.
  • the arc is deprived of a great deal of energy, as a result of which its voltage requirement increases with increasing current intensity.
  • the partial arc moves or jumps from the positive range of the current-voltage characteristic in the negative region and forcibly extinguished. If the current continues to drop, this process is repeated for further partial arcs until only one discharge channel remains.
  • the magnitude of the current which is sufficient for a positive current-voltage characteristic, is in addition to the environmental conditions, such as pressure, gas, electrode material, the cooling effect of the channel, d. H. geometry, material, heat capacity, gas output and surface area.
  • the above measures also allow the discharge to be influenced in the case of subsequent currents. If a very strong cooling of the arc is achieved, a division of secondary currents in the kA range is also possible here.
  • At least one spacer disk or a spacer body made of a conductive or semiconductive material is arranged in the space between the main electrodes, at least for pulsed impulse current loads, the spacer disc or the spacer body having a plurality of parallel channels, concentric annular gaps and / or thread-like grooves and is isolated from one of the main electrodes.
  • the spacer or spacer may be spaced from both main electrodes and formed in electrical communication with one of the main electrodes by means of a support member.
  • the support member may rest against the entire surface of the corresponding spacer or the spacer body and also have channels, annular gaps and / or grooves whose position coincides with those in the spacer or the spacer body to form continuous discharge paths.
  • an insulating part with channels, annular gaps and / or grooves, which fills the space between the main electrode and spacer or spacer body can be arranged on the surface of the spacer or of the spacer which is opposite the supporting part, wherein the channels, annular gaps and / or grooves of the aligned stack assembly.
  • a spark gap in which the separation distance is not realized as a radio transmission spark gap, but as a sliding spark gap.
  • a spacer or a spacer is provided on or on each of the main electrodes, wherein a clearance remains between the two disks.
  • At least one isolated ignition electrode can be arranged.
  • a further embodiment is carried by a plurality of spacers, which are provided with each other and spaced apart from the main electrodes, wherein the channels, gaps and / or grooves of adjacent spacers offset from each other.
  • the spacers can be electrically connected in series and performed isolated from both electrodes.
  • means for ionization and / or potential control may be provided.
  • an arrangement of support elements can take place between the spacers, or the spacers themselves can have integral support elements.
  • spacers or spacers may in addition to their conductive or semiconductive properties also consist of a gas-emitting material or have such a material.
  • the spacer or the spacer body is spaced from both main electrodes, wherein one of the main electrodes of a conductive or semiconducting, a series impedance forming plate is covered and the spacer or the spacer body is by means of a support member with the plate in electrical connection.
  • the vertical discharge from the main electrode is combined by the spacer with a horizontal gap discharge between the plate and the support member.
  • the dimension of the gap is here at values below substantially 0, 1 mm.
  • the discharge in the gap can be used on the one hand to further influence the arc voltage and it On the other hand, a cost-effective reduction of the erosion-resistant material of the respective main electrode can take place.
  • a spacer which may be designed as a cylindrical body in a cylindrical surge arrester arrangement
  • circumferential annular gaps are provided, wherein the spacer body on one of the main electrodes or rests.
  • channels or bores are located in this main electrode which are in register with the annular gap outlet openings in the spacer body.
  • the channels or holes in the main electrode may then pass into a vent gap or be in communication with such a vent gap.
  • the invention provides a lightning current-carrying, encapsulated and pressure-resistant surge arrester for use in the low-voltage network having at least two electrodes, wherein at least one electrically conductive or semiconductive spacer in the form of a disk or a spacer body with a plurality of parallel discharge channels is located between the main electrodes.
  • the spacer forces a division of the discharge into a plurality of separate and parallel channels, at least in the case of pulsed impulse current loads.
  • the surge arrester also perform pressure-tight in the sense of a Gasabieiters.
  • the division of the pulse current into several channels already occurs at values of approx. 1 kA, which is assumed here by pulses 8/20 ⁇ s.
  • the number of channels or through-holes is in the range of 5 to 1000, with assumed through-holes, the diameter is in the range between 0, 1 mm and 2 mm.
  • the thickness of the spacers and thus the channel length is in the range of 2 mm to 20 mm.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the surge arrester with a distance from both main electrodes spacer
  • Fig. 2 shows an embodiment of the surge absorber with two spacers, which are located respectively at or in the vicinity of the main electrodes;
  • FIG. 3 shows an embodiment of the surge arrester with sliding spark gaps
  • FIG. 4 shows an embodiment of the surge arrester having a multiplicity of spaced-apart spacers in each case
  • Fig. 5 shows an embodiment of the surge arrester
  • Spacer having annular gaps in its interior which extend over the entire height of the spacer
  • FIG. 6 shows a plan view of the surface of various spacers, which shows what different shapes the channels or their cross sections can have;
  • FIG. 7 shows an embodiment of a surge arrester having a series impedance with respect to one of the main electrodes
  • FIG. 8 shows an embodiment similar to that of FIG. 7, but with an additional annular gap in the region of one of the main electrodes;
  • Fig. 9 variants of the spacer body according to the schematic diagram of FIG. 5; 10 shows various views in section, top and partial sectional view of a cylindrical spacer with meandering annular gap channel, wherein the inner part of the cylinder and outer shells may consist of different materials of different conductivity and wherein the resulting channel length is adjustable with constant cylinder height on the slope of the channels, and
  • FIG. 11 shows a further illustration of a cylindrical spacer body, wherein thread-like grooves are introduced in the inner cylinder part.
  • thread-like grooves are introduced in the inner cylinder part.
  • an adjustment of the channel length with an otherwise constant cylinder height can take place analogously to FIG. 10.
  • an encapsulated, pressure-resistant, lightning current-carrying surge arrester with retorting capability comprising two main electrodes 1 and 2 spaced apart from one another in a spaced-apart manner.
  • the main electrodes 1 and 2 are received by an insulating body 5, which in turn is surrounded by a metallic, pressure-resistant housing 6.
  • a spacer or a spacer body 3 made of a conductive or semiconductive material with a linear or preferably non-linear characteristic, which has a plurality of openings or channels 31 of small cross-section.
  • the spacer 3 is at least opposite to one of the main electrodes, as shown in FIG. 1 of the main electrode 1, isolated.
  • FIG. 1 is a common separation distance Ll between the main electrode and the spacer. 3
  • the spacer 3 is connected via a conductive or semiconducting material 4 (support member) to the main electrode 2.
  • the spacer 3 and the support member 4 can also be realized by a single part.
  • a common cavity 8 is located between the spacer 3 and the main electrode 2, which is particularly advantageous in the generation of additional gases.
  • This room then also serves as a collection room of the gas.
  • a vent 7 small cross section for pressure equalization after the load is also provided.
  • individual channels 31 can be led to the main electrode 2, in which case the venting takes place in the region of the electrode.
  • a connection of the individual discharge channels or a separate vent is conceivable.
  • the semiconductive or conductive spacer 3 allows for spark gaps without ignition aid an electric pre-discharge with sparking.
  • the cavity 8 shown in Fig. 1 between the main electrode 1 and the spacer 3 allows in addition to the distribution of the charge carriers of Zündfunkens on several channels and an exchange of charge carriers between the individual channels 31 after ignition of the main line. This promotes with appropriate characteristics of the arc additionally a fast and uniform ignition of other, parallel channels.
  • the achieved stable division of the impulse discharge now makes it possible to dimension the individual discharge channels exclusively according to the requirements of the subsequent current.
  • the height of the desired pulse load capacity is adjustable via the material, the number of parallel channels taking into account the dimension of the spark gap.
  • the basic functions of the surge arrester are taken into account. This includes a limitation of the residual voltage level and duration to the response of the spark gap in order to ensure a corresponding coordination of the arrester.
  • the spacer made of conductive or semiconducting material has a positive effect on the control of the residual voltage until the main section is overturned, as well as on the division of the discharge, especially in the case of air gaps.
  • the rollover time may be delayed too much.
  • the spacer or the spacer is divided into several, connected in series sections. This already leads to an improvement due to the greater inhomogeneity.
  • auxiliary spark gaps can be introduced between the individual spacers, which cause ionization.
  • the above-described variant of the division of the spacer or the spacer 3 also provides the ability to deliberately delay the formation of a continuous discharge channel, z. B. by an offset arrangement of the through channels (see Fig. 4).
  • both main electrodes 1 and 2 are provided with a spacer 3.
  • the respective main electrodes 1 and 2 touch the respective spacers 3, but this is not absolutely necessary.
  • the cavity 8 is located here between the two spacers. 3
  • a third, ignition electrode 9 is integrated by way of example, which serves for the external ignition of the spark gap.
  • FIG. 3 shows a spark gap in which the separating section is not designed as an air-gap spark gap but as a sliding spark gap.
  • the insulating material 10 in each case above a channel 31 of the spacer 3 has an opening which allows a sliding overlap between the main electrode 1 and the spacer 3.
  • the spacer 3 is electrically conductively connected in this embodiment with the main electrode 2 via the support member 4.
  • the support member 4 can also be used here as a metal part with high conductivity or, as in the embodiment of FIG. 1, be designed as a part with low electrical conductivity or semiconducting.
  • the support member 4 has below the channels 31 of the spacer 3 also channels 31, which allow a direct passage from the spacer 3 to the cavity 8.
  • the venting of the cavity 8 takes place here again via one or more channels 7 small cross-section.
  • the channels 31 in the elements 3, 4 and 10 are exemplified as holes.
  • Fig. 4 illustrates an arrangement with a series connection of a plurality of electrically conductive or semiconducting spacers 3 between the main electrodes 1 and 2.
  • the main electrode 1 is provided here with a centrally executed third ignition electrode 11, which is separated from the main electrode 1 by the part 12 high impedance.
  • the main electrode 1 is separated from the closest spacer part 3a by an insulating part 5a and the distance L1.
  • the channels 31 of the superimposed and spaced spacers 3 are offset from each other.
  • Between the spacers 3 may be devices for additional ionization of the gap. These devices can accelerate the flashover between the main electrodes 1 and 2.
  • two conductive or semiconductive layers 14 which are separated by a minimum distance with increased resistance or an insulating path. This track is designed to overturn even at low voltages. The associated sparking ionizes the gap between the spacers 3a and 3b.
  • an insulation gap or a stretch of increased resistance 16 is arranged between two electrically conductive or semiconducting parts 15. This has the same already described function of the ionization of the space between the spacers 3b and 3c.
  • the part 4 can also be made isolated. Here it must be ensured that the response voltage of the total spark gap is not significantly increased.
  • a vent may already be provided in the spaces between the spacers 3. This can be done laterally within, through or between parts 5 and 6.
  • venting channels can run separately or merged.
  • the execution of the or the venting channels from the housing can also be done on the front side or the cylinder wall.
  • spacers 3 For mechanical stabilization, it is possible to supplement the spacers 3 by supporting elements between the discs. These support elements but can also be integral components of the spacers 3 or from a separate part with divergent material properties, eg. B. be carried out isolated. If such support elements realized, these can be equipped with suitable means for ionization of the interstices.
  • Fig. 5 shows a variant in which the discharge is not carried out in continuous holes through a spacer, but between circumferential annular gaps 17 of a spacer body 3.
  • the individual annular gaps 17 are each vented in separate channels 18 in or through the main electrode 2.
  • the spacer body 3 can according to the variants of FIGS. 9 to 11 are realized.
  • Fig. 6 shows various plan views of the spacers 3.
  • the corresponding channels 31 may, for. B. slot-shaped or run as holes.
  • the center-oriented column 33 or concentric annular gaps 32 are conceivable. It is crucial that the discharge channel is strongly concentrated at least in the x or y direction. This constriction and the material then essentially determine the achievable electric field strength of the arc.
  • the required arc voltage can be set over the length of the channel (z-direction).
  • the individual discharge channels 32 (annular gaps) can be interconnected (34) for ionization and pressure equalization.
  • the second main electrode 2 is covered by a plate-shaped part 19.
  • this plate 19 is electrically conductive or semiconducting, preferably with a non-linear characteristic, and represents a series impedance for the arc.
  • the plate 19 can also be used to create an additional voltage drop.
  • the plate 19 is made of a material which, in particular with momentum loading, tends to have no concentrated base-point behavior of the arc. This reduces the burnup of the main electrode 2 and then allows the use of cheaper materials there.
  • Suitable materials for the plate 19 are z. For example, those materials that have a high melting point, composite materials with high melting point components, or materials that do not allow a concentrated arc root permanently, such. As most electrically conductive polymers.
  • FIG. 8 shows an embodiment similar to that of FIG. 7 with a covered main electrode 2, in which the material of the plate 20 of the plate 19 of FIG. 7 may correspond, but alternatively also consists of a dense high-resistance or insulation material.
  • the main electrode 2 additionally has vertical extensions 2a, by way of example.
  • the material of the support member 4 can be selected to be electrically conductive or semiconducting.
  • an insulating embodiment of the support member 4 is possible. It is crucial that only one separation stretch Ll or the stretch extension 2a to the spacer 3, the response dominated by a non-triggered spark gap. Alternatively, a vertical layering of the extensions 4 made of different materials is conceivable.
  • the vertical discharge from the main electrode 1 through the spacer 3 is combined by the plate 20 with a horizontal gap discharge between the plate 20 and the support member 4.
  • the dimension of the gap is here at values below 0, 1 mm.
  • the discharge in the gap 200 can on the one hand be used to further influence the arc voltage and on the other hand, a cost-effective reduction of the erosion-resistant electrode material can be made. In addition, a mechanical separation of functions of the quasi-assembled main electrode 2 is possible.
  • a gap discharge is not limited to the illustrated embodiment.
  • a horizontal (radial) gap discharge can be replaced by a vertical (axial) gap discharge.
  • a combination of vertical and horizontal discharge is possible, with the necessary diversion of the discharge leading to a further increase in the voltage drop.
  • FIG. 9 shows a further variant of the embodiment of a spacer shown in FIG. 5, specifically as a cylinder in the interior of the spark gap.
  • Variants 1 and 2 are characterized by a lower cylinder part 301 and an upper cylinder part 302.
  • the lower cylinder 301 has a circular groove 303 between the two annular slots 304.
  • the annular slots or annular grooves 304 have a different diameter for gas deflection.
  • one or more connecting grooves 306 according to variant 2.
  • ignition aids are located.
  • a meandering channel 307 is provided in the embodiment of a cylindrical spacer body 3 of FIG. 10.
  • the meander structure runs here in the axial direction.
  • the inner part 308 of the cylinder may be made of a different material than the outer part 309.
  • materials of different conductivity can be selected.
  • the resulting channel length 307 can, with the same cylinder height over the slope, d. H. the meander course can be adjusted.
  • the cylinder for the spacer according to FIG. 11 again has an outer part 309 and an inner part 308.
  • thread-like extending grooves 35 are present, which extend from the top to the bottom of the spacer body 3. About the slope of the substantially parallel grooves 35 an adjustment of the channel length is given at a constant cylinder height.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen gekapselten, druckfest ausgeführten blitzstromtragfähigen Überspannungsabieiter mit Netzfolgestromlöschvermögen, umfassend zwei beabstandet isoliert gegenü berliegende Hauptelektroden, wobei zur Bildung einer Vielzahl von Entladungsstrecken zumindest bei impulsförmigen Stoßstrombelastungen im Raumzwischen den Hauptelektroden mindestens eine Distanzscheibe oder ein Distanzkörper angeordnet ist, wobei die Distanzscheibe oder der Distanzkörper mehrere paral lel verlaufende Kanäle, konzentrische Ringspalte und/oder gewindeähnliche Nuten aufweist und bei leitfähiger oder halbleitender Ausführung gegenüber einer der Hauptelektroden isoliert ist.

Description

Gekapselter, druckfest ausgeführter blitzstromtragfähiger Überspannungsabieiter mit Netzfolgestromlöschvermögen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen gekapselten, druckfest ausgeführten blitzstrom- tragfähigen Überspannungsabieiter mit Netzfolgestromlöschvermögen, umfassend zwei beabstandet isoliert gegenüberliegende Hauptelektroden, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Erhöhung der Stoßstromfestigkeit von Überspannungsableitern ist es aus der DE 101 64 025 B4 vorbekannt, quasi parallele Ableiter zu nutzen. Die hier parallel vorgesehene Funkenstrecke besitzt einen separaten Druckausgleichsraum und separate Entlüftungen. Von beiden Funkenstrecken wird nur der Kühlkörper gemeinsam genutzt.
Bei der Hörnerfunkenstrecke nach DE 102 31 431 Al wird der Entladungsraum in mehrere parallele Kammern aufgeteilt, welche quer zur Laufrichtung mit Durchbrechungen zum Druckausgleich verbunden sind . Die dortigen Kammern dienen der Zündung von parallelen Lichtbögen und zur einheitlichen Druckbelastung bei leistungsstarken Impulsen.
Zum bekannten Stand der Technik gehört die Verlängerung der Trennstrecke zwischen Hauptelektroden einer Funkenstrecke durch leitende oder halbleitende Materialien. Ziel der Verlängerung der Haupttrennstrecke ist es, das Folgestromlöschvermögen durch die Erhöhung der Lichtbogenbrennspannung zu verbessern. Verwiesen sei hierzu auf die DE 197 17 802 oder die DE 196 19 223.
Die Verlängerung des Lichtbogens ist bei den angestrebten kleinen Baugrößen der Funkenstrecke nicht mehr ausreichend. Deshalb erfolgt bei dem geschilderten Stand der Technik zusätzlich eine Erhöhung der Lichtbogenspannung, z. B. durch Eingrenzen des Lichtbogens und durch radiales Beströmen mit einem Gas. Nachteilig bei diesen vorbekannten Anordnungen ist es jedoch, dass der Lichtbogenkanal für Impulsströme und Folgeströme identisch ist. Dies führt dazu, dass eine unabhängige Dimensionierung für die völlig unterschiedlichen Strombelastungen nicht möglich ist.
Die Kanäle für die Entladung müssen einerseits möglichst klein sein, um eine hohe Lichtbogenspannung bei Folgeströmen zu erreichen. Andererseits sollten die Kanäle einen möglichst großen Querschnitt besitzen, um die Lichtbogenspannung und damit den Leistungsumsatz bei Impulsentladungen zu begrenzen. Dies ist einerseits aus Gründen der Reduzierung der Belastung der Funkenstrecke notwendig und zum anderen, um einen möglichst niedrigen Schutzpegel sowie eine ausreichende Koordinationsfähigkeit zu anderen Überspannungsschutzgeräten oder Endgeräten moderner Ableitermodule zu gewährleisten.
Zusätzlich werden insbesondere bei Impulsbelastungen extrem hohe mechanische Anforderungen an die eingesetzten Materialien gestellt, welche den minimalen Querschnitt des Entladungskanals begrenzen.
Diese Probleme führen zu einer erheblichen konstruktiven Mehrbelastung und entsprechend größeren Aufwendungen bei der Herstellung von Funkenstrecken.
Zusammenfassend lässt sich aus dem Stand der Technik schlussfolgern, dass die Auslegung von Funkenstrecken für die entgegengesetzten Anforderungen bei Impulsbelastungen bei Folgestrombelastung zwangsläufig zu einem Kompromiss und damit nicht zu idealen Lösungen für die entsprechenden Belastungsfälle führen.
Aufgrund der immer ausgeprägteren Folgestrombegrenzung von Netzfunkenstrecken der vorgenannten Art sind Lichtbogenbrennspannungen im Bereich der treibenden Netzspannung erforderlich. Da eine unabhängige Beeinflussung der Lichtbogenspannungen bei Impulsen und Netzfolgeströmen nur begrenzt möglich ist, führt dies einerseits dazu, dass die Auslegung der Funkenstrecken sich stark an den Anforderungen der Folgestrombelastung orientiert, und andererseits dazu, dass bei Impulsbelastungen, also bei eingeprägten Strömen im kA-Bereich, Lichtbogenspannungen entstehen, welche das Mehrfache der Spannung bei Netzfolgestrom betragen können.
Diese hohen Spannungen beeinträchtigen nicht nur den Schutzpegel und die Koordinierbarkeit, sondern führen zu einer erheblichen Belastung der Funkenstrecke. Dies betrifft neben der dynamischen mechanischen Belastung auch den Leistungsumsatz. Der erhöhte Leistungsumsatz führt zu einem erheblichen Abbrand der eingesetzten Materialien und bewirkt einen an sich zu vermeidenden Verschleiß der Funkenstrecke.
Um die Lichtbogenspannung bei Impulsbelastung von Funkenstrecken zu reduzieren, wurde z. B. versucht, bei Impulsströmen eine sogenannte Düsenverstopfung zwischen dem Entladungsbereich und dem Druckausgleichsbereich zu bewirken oder bei Impulsbelastungen einen Gegendruck im Druckausgleichsbereich zu erzeugen (siehe hierzu DE 101 64 025 B4).
Die vorgenannten Verfahren bewirken zwar eine Reduzierung der Lichtbogenspannung bei Impulsbelastung, wodurch der Schutzpegel und die Koordinationsfähigkeit zu anderen Geräten gesichert werden kann, jedoch wird intern die Druckbelastung der Funkenstrecke stark erhöht.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen gekapselten, druckfest ausgeführten blitzstromtragfähigen Überspannungsabieiter mit Netzfolgestromlöschvermögen, umfassend zwei beabstandet isoliert gegenüberliegende Hauptelektroden anzugeben, der in einfacher und kostengünstiger Weise Möglichkeiten zur unabhängigen Beeinflussung der Lichtbogenspannungen bei Impulsentladung und Netzfolgeströmen schafft, wobei außerdem die mechanischen Belastungen der einzelnen Bauteile der Funkenstrecke, insbesondere bei Impulsbelastungen reduziert sind . Erfindungsgemäß wird dies durch die Schaffung mehrerer getrennter paralleler Entladungskanäle innerhalb eines oder mehrerer leitender bzw. halbleitender Distanzstücke zwischen den Hauptelektroden der Funkenstrecken erreicht.
Es erfolgt also durch die konstruktiven Maßnahmen eine Funktionstrennung zwischen impulsförmigen Entladungen und Belastungen durch netzfrequente Folgeströme innerhalb einer Funkenstrecke. Insbesondere bei impulsförmigen Belastungen wird eine Aufteilung des Lichtbogens in mehrere parallele Entladungskanäle innerhalb der Funkenstrecke vorgenommen, wodurch eine starke Druckentlastung, eine Begrenzung der Lichtbogenspannung bei Impulsbelastung und eine Reduzierung des Verschleißes möglich sind .
Bei netzfrequenten Folgeströmen hingegen erfolgt die Entladung bevorzugt nur in einem Entladungskanal, wobei durch die Wahl der Geometrie und des Materials dieses Kanals die Lichtbogenspannung unabhängig von der Belastung bei impulsförmigen Entladungen beeinflussbar ist.
Die Entladung bei impulsförmigen Strömen mit Anstiegszeiten im Bereich von wenigen μs besitzt unmittelbar nach der Entstehung, also der Zündung der Funkenstrecken, häufig eine positive Strom-Spannungs-Charakteristik.
Diese Charakteristik ermöglicht eine Aufteilung des Entladungskanals in parallele Kanäle. Die erwähnte Charakteristik resultiert u . a. aus dem hohen Spannungsbedarf und den Mechanismen zur Bereitstellung von Ladungsträgern.
Bei Luftfunkenstrecken unter Normaldruck ändert sich nach dem Beginn der Entladung die Charakteristik des Lichtbogens recht schnell, so dass im allgemeinen bereits nach wenigen μs sich die übliche negative Strom- Spannungs-Kennlinie einer Bogenentladung einstellt.
Um eine wirksame Entlastung einer Luftfunkenstrecke durch parallele Kanäle zu erreichen, wird erfindungsgemäß zu Beginn der Entladung die schnelle Aufteilung in eine möglichst große Anzahl paralleler Kanäle unterstützt und die positive Strom-Spannungs-Kennlinie über einen längeren Zeitraum erhalten bzw. erzwungen.
Diese Aufteilung wird durch das Einbringen von leitfähigen bzw. halbleitenden Materialien mit parallelen Kanälen in Form von Distanzstücken oder Distanzkörpern zwischen den Hauptelektroden unterstützt. Bei einer Ausführungsform können die Distanzstücke auch aus einem isolierenden oder nichtleitenden Material bestehen.
Neben der Potentialsteuerung und der Vorgabe der Entladungsstrecken bewirkt das eingesetzte Material durch seine elektrische Leitfähigkeit auch eine Absenkung der Restspannung bis zum Überschlag der Gesamtstrecken. Hierdurch ergibt sich selbst bei langen Trennstrecken zwischen den Hauptelektroden eine niedrige Restspannung und eine gute Koordinationsfähigkeit.
Das Material und die Geometrie der Kanäle innerhalb des oder der Distanzstücke oder Distanzkörper wird dabei so gewählt, dass zumindest bei impulsförmigen Entladungen mit Strömen im kA-Bereich eine Entladung mit positiver Strom-Spannungs-Charakteristik selbst in Luft über eine längere Zeitdauer erzeugt wird .
Dies wird dadurch erreicht, dass jedem Lichtbogen durch Einschnürung und/oder Beblasung so viel Energie entzogen wird, dass sein Spannungsbedarf stark ansteigt. Diese erzwungene Charakteristik der Entladung ist die physikalische Voraussetzung, dass bei geometrisch parallelen Kanälen auch eine wirksame Aufteilung der Entladung über einen längeren Zeitraum erfolgt.
Bei der ansonsten in Luft üblichen negativen Strom-Spannungs-Charakteristik würde selbst bei geometrisch vorhandenen parallelen Kanälen keine längere Aufteilung der Entladung erfolgen und somit keine sinnvolle Entlastung der Funkenstrecke bzw. Reduzierung der Lichtbogenspannung möglich sein.
Um eine positive Charakteristik des Lichtbogens in Luft bei Normaldruck zu erzwingen, wird der Lichtbogen innerhalb der Funkenstrecke zumindest abschnittsweise von einem sogenannten freibrennenden Lichtbogen in einen wandstabilisierten Lichtbogen umgewandelt. Dabei wird dem Lichtbogen sehr viel Energie entzogen, wodurch sein Spannungsbedarf bei steigender Stromstärke wächst.
Der beschriebene Effekt hält so lange an, bis der eingeprägte Strom so weit absinkt, dass die Einschnürung und die Kühlung innerhalb eines Kanals nicht mehr ausreichend ist.
Der Teillichtbogen wandert oder springt von dem positiven Bereich der Strom- Spannungs-Kennlinie in den negativen Bereich und verlischt zwangsweise. Sinkt die Stromstärke weiter, wiederholt sich dieser Vorgang bei weiteren Teillichtbögen, bis nur noch ein Entladungskanal übrig bleibt. Die Höhe des Stromes, welche für eine positive Strom-Spannungs-Charakteristik ausreicht, ist neben den Umgebungsbedingungen, wie Druck, Gas, Elektrodenmaterial, von der Kühlwirkung des Kanals, d . h. der Geometrie, des Materials, der Wärmekapazität, der Gasabgabe und der Oberfläche abhängig.
Die vorstehenden Maßnahmen erlauben neben der Beeinflussung der Impulsentladung auch eine Beeinflussung der Entladung bei Folgeströmen. Wird eine sehr starke Kühlung des Lichtbogens erreicht, ist auch hier eine Aufteilung von Folgeströmen im kA-Bereich möglich.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt unter Rückgriff auf die vorstehenden Erläuterungen mit der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Es wird also zur Bildung einer Vielzahl von Entladungsstrecken zumindest bei impulsförmigen Stoßstrombelastungen im Raum zwischen den Hauptelektroden mindestens eine Distanzscheibe oder ein Distanzkörper aus einem leitfähigen oder halbleitenden Material angeordnet, wobei die Distanzscheibe oder der Distanzkörper mehrere parallel verlaufende Kanäle, konzentrische Ringspalte und/oder gewindeähnliche Nuten aufweist und gegenüber einer der Hauptelektroden isoliert ist.
Das Distanzstück oder der Distanzkörper kann von beiden Hauptelektroden beabstandet und mit einer der Hauptelektroden mittels eines Tragteils in elektrischer Verbindung stehend ausgebildet werden.
Das Tragteil kann an der gesamten Oberfläche der entsprechenden Distanzscheibe oder des Distanzkörpers anliegen und ebenfalls Kanäle, Ringspalte und/oder Nuten aufweisen, deren Lage mit denjenigen in der Distanzscheibe oder dem Distanzkörper zur Bildung durchgehender Entladungsstrecken übereinstimmt.
An der dem Tragteil gegenüberliegenden Oberfläche der Distanzscheibe oder des Distanzkörpers kann bei einer Ausführungsform ein Isolationsteil mit Kanälen, Ringspalten und/oder Nuten angeordnet sein, welches den Abstandsraum zwischen der Hauptelektrode und Distanzscheibe oder Distanzkörper ausfüllt, wobei die Kanäle, Ringspalte und/oder Nuten der so gebildeten Stapelanordnung fluchten. Bei dieser Ausführungsform entsteht eine Funkenstrecke, bei welcher die Trennstrecke nicht als Luftdurchschlags- funkenstrecke, sondern als Gleitfunkenstrecke realisiert ist.
Bei einer weiteren Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, dass an oder auf jeder der Hauptelektroden jeweils eine Distanzscheibe oder ein Distanzkörper vorgesehen ist, wobei zwischen den beiden Scheiben ein Freiraum verbleibt.
Im Raum zwischen den sich gegenüberliegenden Distanzscheiben oder Distanzkörpern der vorstehend erwähnten Ausführungsform kann mindestens eine isoliert eingeführte Zündelektrode angeordnet werden.
Eine weitere Ausführungsform ist von einer Vielzahl von Distanzscheiben getragen, die untereinander und zu den Hauptelektroden beabstandet vorgesehen sind, wobei die Kanäle, Spalte und/oder Nuten benachbarter Distanzscheiben versetzt zueinander verlaufen. Hier können die Distanzscheiben elektrisch in Reihe geschaltet und gegenüber beiden Elektroden isoliert ausgeführt werden.
Bei der Ausführungsform einer Vielzahl von beabstandeten Distanzscheiben besteht die Möglichkeit, in einer der Hauptelektroden isoliert eine Zündelektrode einzuführen bzw. anzuordnen.
Zwischen jeweils einem Paar der Menge von beabstandeten Distanzscheiben können Mittel zur Ionisation und/oder Potentialsteuerung vorgesehen werden.
Zur Erhöhung der mechanischen Tragfähigkeit kann zwischen den Distanzscheiben eine Anordnung von Stützelementen erfolgen oder es können die Distanzscheiben selbst integrale Stützelemente aufweisen.
Die vorerwähnten Distanzscheiben oder Distanzkörper können neben ihren leitenden oder halbleitenden Eigenschaften auch aus einem gasabgebenden Material bestehen oder ein derartiges Material aufweisen.
Bei einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Distanzscheibe oder der Distanzkörper von beiden Hauptelektroden beabstandet angeordnet, wobei eine der Hauptelektroden von einem leitenden oder halbleitenden, eine Reihenimpedanz bildenden Teller abgedeckt ist und die Distanzscheibe oder der Distanzkörper mittels eines Tragteils mit dem Teller in elektrischer Verbindung steht.
Ergänzend besteht die Möglichkeit, zwischen Tragteil und Teller einen oder mehrere Spalte auszubilden, wobei die Hauptelektrode Fortsätze zum Fixieren des Tragteils besitzt. Hier wird die vertikale Entladung von der Hauptelektrode durch die Distanzscheibe mit einer horizontalen Spaltentladung zwischen dem Teller und dem Tragteil kombiniert. Die Abmessung des Spaltes liegt hier bei Werten unter im Wesentlichen 0, 1 mm. Die Entladung im Spalt kann einerseits zur weiteren Beeinflussung der Lichtbogenspannung genutzt werden und es kann andererseits eine kostengünstige Reduktion des abbrandfesten Materials der betreffenden Hauptelektrode erfolgen.
Bei der Ausführungsform eines Distanzkörpers, der bei einer zylindrischen Überspannungsableiteranordnung als Zylinderkörper ausgeführt sein kann, sind umlaufende Ringspalte vorgesehen, wobei der Distanzkörper auf einer der Hauptelektroden auf- oder anliegt. In diesem Fall sind in dieser Hauptelektrode Kanäle oder Bohrungen befindlich, welche sich mit den Ringspaltaustrittsöffnungen im Distanzkörper in Deckung befinden.
Die Kanäle oder Bohrungen in der Hauptelektrode können dann in einen Entlüftungsspalt übergehen oder mit einem solchen Entlüftungsspalt in Verbindung stehen.
Zusammenfassend wird mit der Erfindung ein blitzstromtragfähiger, gekapselter und druckfester Überspannungsabieiter für die Anwendung im Niederspannungsnetz mit mindestens zwei Elektroden geschaffen, wobei sich zwischen den Hauptelektroden mindestens ein elektrisch leitfähiges oder halbleitfähiges Distanzstück in Form einer Scheibe oder einem Distanzkörper mit mehreren parallelen Entladungskanälen befindet. Das Distanzstück erzwingt zumindest bei impulsförmigen Stoßstrombelastungen eine Aufteilung der Entladung in mehrere separate und parallele Kanäle.
Es liegt im Sinne der Erfindung, den Überspannungsabieiter auch druckdicht im Sinne eines Gasabieiters auszuführen.
Erfindungsgemäß tritt die Aufteilung des Impulsstroms auf mehrere Kanäle bereits bei Werten ab ca . 1 kA ein, wobei hier von Impulsen 8/20 μs ausgegangen wird . Die Anzahl der Kanäle oder Durchgangsbohrungen liegt im Bereich von 5 bis 1000, wobei bei angenommenen Durchgangslöchern der Durchmesser im Bereich zwischen 0, 1 mm und 2 mm liegt. Die Dicke der Distanzscheiben und damit die Kanallänge liegt im Bereich von 2 mm bis 20 mm. Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen :
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Überspannungsabieiters mit einer von beiden Hauptelektroden beabstandeten Distanzscheibe;
Fig. 2 eine Ausführungsform des Überspannungsabieiters mit zwei Distanzscheiben, die jeweils an oder in der Nähe der Hauptelektroden befindlich sind;
Fig. 3 eine Ausführungsform des Überspannungsabieiters mit Gleitfunkenstrecken;
Fig. 4 eine Ausführungsform des Überspannungsabieiters mit einer Vielzahl von jeweils beabstandeten Distanzscheiben;
Fig. 5 eine Ausführungsform des Überspannungsabieiters mit
Distanzkörper, der in seinem Inneren Ringspalte aufweist, die sich über die gesamte Höhe des Distanzkörpers erstrecken;
Fig. 6 eine Draufsicht auf die Oberfläche verschiedener Distanzscheiben, die erkennen lässt, welche unterschiedlichen Formen die Kanäle bzw. deren Querschnitte aufweisen können;
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines Überspannungsabieiters mit einer Reihenimpedanz bezogen auf eine der Hauptelektroden;
Fig. 8 eine Ausführungsform ähnlich derjenigen nach Fig. 7, jedoch mit zusätzlichem Ringspalt im Bereich einer der Hauptelektroden;
Fig. 9 Varianten des Distanzkörpers gemäß der Prinzipdarstellung nach Fig. 5; Fig. 10 verschiedene Darstellungen in Schnitt-, Drauf- und Teilschnittansicht eines zylindrischen Distanzkörpers mit mäanderförmigem Ringspaltkanal, wobei Innenteil des Zylinders und Außenmantel aus verschiedenen Materialien unterschiedlicher Leitfähigkeit bestehen können und wobei die resultierende Kanallänge bei gleichbleibender Zylinderhöhe über die Steigung der Kanäle einstellbar ist, und
Fig. 11 eine weitere Darstellung eines zylinderförmigen Distanzkörpers, wobei im inneren Zylinderteil gewindeähnliche Nuten eingebracht sind . Hier kann über die Steigung der parallelen Nuten eine Einstellung der Kanallänge bei ansonsten konstanter Zylinderhöhe analog zu Fig. 10 erfolgen.
Gemäß den figürlichen Darstellungen wird von einem gekapselten, druckfest ausgeführten blitzstromtragfähigen Überspannungsabieiter mit Netzfolge- stromlöschvermögen ausgegangen, umfassend zwei beabstandet isoliert gegenüberliegende Hauptelektroden 1 und 2.
Die Hauptelektroden 1 und 2 sind von einem Isolierkörper 5 aufgenommen, welcher wiederum von einem metallischen, druckfesten Gehäuse 6 umgeben ist.
Zwischen den Hauptelektroden 1 und 2 befindet sich eine Distanzscheibe oder ein Distanzkörper 3 aus einem leitenden oder halbleitenden Material mit linearer bzw. bevorzugt nichtlinearer Kennlinie, welches mehrere Öffnungen bzw. Kanäle 31 kleinen Querschnitts aufweist.
Das Distanzstück 3 ist mindestens gegenüber einer der Hauptelektroden, gemäß Fig . 1 der Hauptelektrode 1, isoliert.
Gemäß Fig . 1 befindet sich eine gemeinsame Trennstrecke Ll zwischen der Hauptelektrode und der Distanzscheibe 3. Die Distanzscheibe 3 ist über ein leitendes oder halbleitendes Material 4 (Tragteil) mit der Hauptelektrode 2 verbunden.
Die Distanzscheibe 3 und das Tragteil 4 können dabei auch durch ein einziges Teil realisiert werden.
Weiterhin ist ein gemeinsamer Hohlraum 8 zwischen der Distanzscheibe 3 und der Hauptelektrode 2 befindlich, welcher insbesondere bei der Erzeugung von zusätzlichen Gasen vorteilhaft ist.
Dieser Raum dient dann auch als Sammelraum des Gases.
Eine Entlüftungsöffnung 7 kleinen Querschnitts zum Druckausgleich nach der Belastung ist ebenfalls vorgesehen.
Es können alternativ hierzu einzelne Kanäle 31 bis zur Hauptelektrode 2 geführt werden, wobei dann die Entlüftung im Bereich der Elektrode erfolgt. Ebenso ist eine Verbindung der einzelnen Entladungskanäle oder eine getrennte Entlüftung denkbar.
Weiterhin ermöglicht die halbleitende bzw. leitfähige Distanzscheibe 3 auch bei Funkenstrecken ohne Zündhilfe eine elektrische Vorentladung mit Funkenbildung.
Bei Erreichen der Ansprechspannung der Trennstrecke Ll erfolgt eine Funkenbildung zwischen der Hauptelektrode 1 und der Distanzscheibe 3. Danach gleiten häufig bereits mehrere Vorentladungen entlang der Kanäle 31 bis zur Hauptelektrode 2 und es erfolgt ein Überschlag zwischen den Hauptelektroden 1; 2. Die Ausbildung einer Entladung in mehreren Kanälen kann über den Restspannungsabfall über der Distanzscheibe 3 und dem Tragteil 4 beeinflusst werden.
Der in Fig. 1 gezeigte Hohlraum 8 zwischen der Hauptelektrode 1 und der Distanzscheibe 3 ermöglicht neben der Verteilung der Ladungsträger des Zündfunkens auf mehrere Kanäle auch einen Austausch von Ladungsträgern zwischen den einzelnen Kanälen 31 nach Zündung der Hauptstrecke. Dies fördert bei entsprechender Charakteristik des Lichtbogens zusätzlich ein schnelles und gleichmäßiges Zünden von weiteren, parallelen Kanälen.
Sollte trotz der vorstehend geschilderten Maßnahmen nur ein Kanal zünden, wird einerseits aufgrund des hohen Spannungsbedarfs zu Beginn der Entladung und zum anderen infolge der Einschnürung und Kühlung des Lichtbogens eine positive U/I-Kennlinie des Lichtbogens bei ausreichend hohen Stromstärken selbst in Luft erzwungen.
Vorstehendes ermöglicht die Bildung von parallelen Lichtbögen, deren Anzahl mit der Stromstärke des eingeprägten Stromes steigt. Hierdurch ist eine Verteilung des Impulsstroms auf zahlreiche parallele Entladungskanäle innerhalb einer Funkenstrecke in Luft möglich. Wichtig insbesondere für lang andauernde Entladungen ist hierbei, dass die positive Kennlinie des Lichtbogens auch bei relativ kleinen Impulsströmen erhalten bleibt.
Eine auch bei lang andauernden Impulsentladungen stabile Lichtbogenaufteilung erlaubt eine unabhängige Dimensionierung der Kanalgeometrien bei Netzfolgeströmen.
Die im Stand der Technik vorgenommene bisherige Dimensionierung einfacher Kanalgeometrien bei Funkenstreckenableitern erfolgte nicht unabhängig von der Belastungsart. Ein Entladungskanal mit großem Durchmesser oder Querschnitt erlaubte zwar hohe Impulsbelastungen, führte jedoch nur zu einer geringen Folgestrombegrenzung . Um bei einer gewünschten Impulsbelastbarkeit eine ausreichend hohe Folgestrombegrenzung zu erreichen, wurde üblicherweise der Entladungskanal verlängert. Dies jedoch führt zu einem hohen Leistungsumsatz und hohen Spannungen bei Impulsbelastungen.
Die erreichte stabile Aufteilung der Impulsentladung erlaubt es nun, die einzelnen Entladungskanäle ausschließlich nach den Anforderungen bei Folgestrom zu bemessen. Die Höhe der gewünschten Impulsbelastbarkeit ist über das Material, die Anzahl der parallelen Kanäle bei Berücksichtigung der Abmessung der Funkenstrecke einstellbar.
Bei der Wahl der Kanalgeometrie (siehe Fig . 6) werden weiterhin die Grundfunktionen des Überspannungsabieiters berücksichtigt. Hierzu gehört eine Begrenzung der Restspannungshöhe und -dauer bis zum Ansprechen der Funkenstrecke, um eine entsprechende Koordinierbarkeit des Ableiters zu gewährleisten.
Diese Werte werden auch durch das Material der Distanzscheibe oder des Distanzkörpers 3 und die Länge des Überschlagswegs bestimmt. Die Distanzscheibe aus leitfähigem bzw. halbleitendem Material wirkt sich hierbei sowohl positiv auf die Steuerung der Restspannung bis zum Überschlagen der Hauptstrecke als auch auf die Aufteilung der Entladung insbesondere bei Luftfunkenstrecken aus.
Bei hohen Kanallängen kann unter Umständen die Überschlagsdauer zu stark verzögert werden. Für Einsatzfälle, bei denen dies kritisch ist, wird das Distanzstück oder die Distanzscheibe in mehrere, in Reihe geschaltete Teilstücke aufgeteilt. Dies führt bereits aufgrund der stärkeren Inhomogenität zu einer Verbesserung . Zusätzlich können zwischen den einzelnen Distanzstücken Hilfsfunkenstrecken eingebracht werden, welche eine Ionisierung bewirken.
Die vorstehend geschilderte Variante der Aufteilung des Distanzkörpers oder der Distanzscheibe 3 bietet auch die Möglichkeit, die Bildung eines durchgängigen Entladungskanals bewusst zu verzögern, z. B. durch eine versetzte Anordnung der Durchgangskanäle (siehe Fig . 4).
Bei hohen Folgeströmen im kA-Bereich, welche z. B. bei erhöhten Netzspannungen auftreten können, ist es möglich, diese ebenfalls in parallele Lichtbögen aufzuteilen und somit die Belastung einzelner Entladungskanäle zu reduzieren. Bei einer Dimensionierung der Kanäle mit sehr kleinen und/oder langen Kanälen kann auch auf eine zusätzliche Gasabgabe, wie sie ansonsten üblich ist, verzichtet werden. Damit können die entstehenden Drücke innerhalb der Funkenstrecke und der resultierende Verschleiß verringert werden.
Gemäß Fig . 2 wird ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem beide Hauptelektroden 1 und 2 mit einer Distanzscheibe 3 versehen sind .
In der figürlichen Darstellung berühren sich die jeweiligen Hauptelektroden 1 und 2 mit den jeweiligen Distanzscheiben 3, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist.
Der Hohlraum 8 befindet sich hier zwischen den beiden Distanzscheiben 3.
In diesem Hohlraum 8, welcher gleichzeitig die Haupttrennstrecke der Hauptelektroden 1 und 2 bildet, ist beispielhaft eine dritte, Zündelektrode 9 integriert, die der externen Zündung der Funkenstrecke dient.
Fig. 3 zeigt eine Funkenstrecke, bei welcher die Trennstrecke nicht als Luft- durchschlagsfunkenstrecke, sondern als Gleitfunkenstrecke ausgebildet ist.
Hierfür besitzt das Isolationsmaterial 10 jeweils oberhalb eines Kanals 31 der Distanzscheibe 3 eine Öffnung, welche einen Gleitüberschlag zwischen der Hauptelektrode 1 und der Distanzscheibe 3 ermöglicht.
Die Distanzscheibe 3 wird bei dieser Ausführungsform elektrisch leitfähig mit der Hauptelektrode 2 über das Tragteil 4 verbunden.
Das Tragteil 4 kann hier auch als Metallteil mit hoher Leitfähigkeit oder, wie bei der Ausführung nach Fig . 1, als Teil mit geringer elektrischer Leitfähigkeit oder halbleitend ausgeführt sein. Das Tragteil 4 besitzt unterhalb der Kanäle 31 der Distanzscheibe 3 ebenfalls Kanäle 31, welche einen direkten Durchgang von der Distanzscheibe 3 zum Hohlraum 8 ermöglichen.
Ein entstehender Lichtbogen wird somit von der Hauptelektrode 1 bis zur Hauptelektrode 2 verlängert.
Die Entlüftung des Hohlraums 8 erfolgt hier wiederum über einen oder mehrere Kanäle 7 kleinen Querschnitts.
Die Kanäle 31 in den Elementen 3, 4 und 10 sind beispielhaft als Bohrungen dargestellt.
Fig. 4 stellt eine Anordnung mit einer Reihenschaltung von mehreren elektrisch leitenden bzw. halbleitenden Distanzscheiben 3 zwischen den Hauptelektroden 1 und 2 dar.
Die Hauptelektrode 1 ist hier mit einer zentral ausgeführten dritten Zündelektrode 11 versehen, welche von der Hauptelektrode 1 durch das Teil 12 hochohmig getrennt ist.
Die Hauptelektrode 1 ist von dem am nächsten liegenden Distanzscheibenteil 3a durch ein isolierendes Teil 5a und dem Abstand Ll getrennt.
Die Kanäle 31 der übereinander liegenden und beabstandeten Distanzscheiben 3 sind gegeneinander versetzt.
Zwischen den Distanzscheiben 3 können sich Einrichtungen zur zusätzlichen Ionisation des Zwischenraums befinden. Diese Einrichtungen können den Überschlag zwischen den Hauptelektroden 1 und 2 beschleunigen.
Zwischen den Distanzscheiben 3a und 3b befinden sich auf dem Isolationsteil 13 zwei leitende bzw. halbleitende Schichten 14, welche durch eine minimale Strecke mit erhöhtem Widerstand bzw. eine isolierende Strecke getrennt sind . Diese Strecke ist so ausgelegt, dass sie bereits bei geringen Spannungen überschlägt. Die damit verbundene Funkenbildung ionisiert den Zwischenraum zwischen den Distanzscheiben 3a und 3b.
Zwischen den Distanzscheiben 3b und 3c wird zwischen zwei elektrisch leitenden bzw. halbleitenden Teilen 15 eine Isolationsstrecke oder eine Strecke erhöhten Widerstands 16 angeordnet. Diese besitzt die gleiche bereits beschriebene Funktion der Ionisation des Raumes zwischen den Distanzscheiben 3b und 3c.
Zwischen den Distanzscheiben 3c und 3d befindet sich ein elektrisch leitendes bzw. halbleitendes Material 4, was bei Spannungsbelastung zu einem schnellen Gleitüberschlag neigt. Weiterhin besteht eine Verbindung zwischen dem Teil 4 und der Hauptelektrode 2.
Bei geringen Distanzen der Scheiben 3 kann das Teil 4 auch isoliert ausgeführt sein. Hier ist darauf zu achten, dass die Ansprechspannung der Gesamtfunkenstrecke nicht wesentlich erhöht wird .
Gemäß Fig . 4 erfolgt die Entlüftung der Anordnung wiederum über einen Kanal kleinen Querschnitts 7.
Wird das Material der Distanzscheiben 3 so gewählt, dass eine zusätzliche Gasabgabe erfolgt, oder sollen sehr hohe Belastungen beherrscht werden, kann in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Distanzscheiben 3 bereits eine Entlüftung vorgesehen sein. Diese kann seitlich innerhalb, durch oder zwischen den Teilen 5 und 6 erfolgen.
Diese betreffenden Entlüftungskanäle können dabei separat oder zusammengeführt verlaufen. Die Ausführung des oder der Entlüftungskanäle aus dem Gehäuse kann auch an der Stirnseite oder der Zylinderwand erfolgen.
Zur mechanischen Stabilisation besteht die Möglichkeit, die Distanzscheiben 3 durch Stützelemente zwischen den Scheiben zu ergänzen. Diese Stützelemente können aber auch integrale Bestandteile der Distanzscheiben 3 sein oder aus einem separaten Teil mit divergierenden Materialeigenschaften, z. B. isoliert ausgeführt werden. Werden derartige Stützelemente realisiert, können auch diese mit geeigneten Mitteln zur Ionisation der Zwischenräume ausgestattet werden.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsvariante, bei welcher die Entladung nicht in durchgängigen Bohrungen durch eine Distanzscheibe, sondern zwischen umlaufenden Ringspalten 17 eines Distanzkörpers 3 erfolgt. Die einzelnen Ringspalte 17 werden jeweils in separaten Kanälen 18 im oder durch die Hauptelektrode 2 entlüftet. Der Distanzkörper 3 kann gemäß den Varianten nach den Fig . 9 bis 11 realisiert werden.
Fig. 6 zeigt verschiedene Draufsichten der Distanzscheiben 3. Hier ist die Vielfalt der Gestaltungsvarianten erkennbar. Die entsprechenden Kanäle 31 können z. B. schlitzförmig oder als Bohrungen ausgeführt werden. Auch sind zum Mittelpunkt orientierte Spalte 33 oder konzentrische Ringspalte 32 denkbar. Entscheidend ist, dass der Entladungskanal mindestens in der x- oder y-Richtung stark eingeengt ist. Diese Einengung und das Material bestimmen dann im Wesentlichen die erreichbare elektrische Feldstärke des Lichtbogens. Über die Länge des Kanals (z-Richtung) kann die benötigte Lichtbogenspannung eingestellt werden. Die einzelnen Entladungskanäle 32 (Ringspalte) können zur Ionisierung und zum Druckausgleich miteinander verbunden (34) sein.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig . 7, die im Wesentlichen derjenigen nach Fig. 1 entspricht, ist die zweite Hauptelektrode 2 von einem tellerförmigen Teil 19 abgedeckt.
Das Material dieses Tellers 19 ist elektrisch leitend oder halbleitend, bevorzugt mit nichtlinearer Kennlinie, und stellt eine Reihenimpedanz für den Lichtbogen dar. Der Teller 19 kann zudem genutzt werden, um einen zusätzlichen Spannungsabfall zu erzeugen.
Vorteilhafterweise besteht der Teller 19 aus einem Material, welches insbesondere bei Impulsbelastung zu keinem konzentrierten Fußpunktverhalten des Lichtbogens neigt. Dies reduziert den Abbrand der Hauptelektrode 2 und erlaubt dann dort den Einsatz von preisgünstigeren Materialien. Geeignete Materialien für den Teller 19 sind z. B. solche Materialien, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen, Verbundmaterialien mit Komponenten mit hohem Schmelzpunkt oder Materialien, welche keinen konzentrierten Lichtbogenfußpunkt dauerhaft ermöglichen, wie z. B. die meisten elektrisch leitfähigen Polymere.
Alternativ zu elektrisch leitenden Materialien sind auch hochohmige bzw. isolierende Materialien mit einer gewissen Porosität möglich, welche die Entladung dann in Form einer diffusen Entladung durch die poröse Schicht erlauben.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform ähnlich derjenigen nach Fig . 7 mit einer abgedeckten Hauptelektrode 2, bei welcher das Material des Tellers 20 dem des Tellers 19 gemäß Fig . 7 entsprechen kann, jedoch alternativ auch aus einem dichten hochohmigen bzw. Isolationsstoff besteht.
Die Hauptelektrode 2 besitzt bei dieser Ausführungsform beispielhaft zusätzlich senkrechte Fortsätze 2a .
Zwischen dem Tragteil 4 und dem Teller 20 befindet sich ein umlaufender Spalt 200 oder es sind mehrere parallele abschnittsweise Spalte vorgesehen.
Das Material des Tragteils 4 kann elektrisch leitend oder halbleitend gewählt werden.
Bei geringen Distanzen zu der Distanzscheibe 3 ist auch eine isolierende Ausführung des Tragteils 4 möglich. Entscheidend ist, dass nur eine Trenn- strecke Ll oder die Strecke Fortsatz 2a zur Distanzscheibe 3 das Ansprechverhalten bei einer nicht getriggerten Funkenstrecke dominiert. Es ist alternativ auch eine vertikale Schichtung der Fortsätze 4 aus verschiedenen Materialien denkbar.
Die vertikale Entladung von der Hauptelektrode 1 durch die Distanzscheibe 3 wird durch den Teller 20 mit einer horizontalen Spaltentladung zwischen dem Teller 20 und dem Tragteil 4 kombiniert. Die Abmessung des Spaltes liegt hierbei bei Werten unter 0, 1 mm.
Die Entladung im Spalt 200 kann einerseits zur weiteren Beeinflussung der Lichtbogenspannung genutzt werden und andererseits kann eine kostengünstige Reduktion des abbrandfesten Elektrodenmaterials vorgenommen werden. Zudem ist auch eine mechanische Funktionstrennung der quasi zusammengesetzten Hauptelektrode 2 möglich.
Die Kombination mit einer Spaltentladung beschränkt sich nicht auf die dargestellte Ausführungsform. Alternativ kann eine horizontale (radiale) Spaltentladung durch eine vertikale (axiale) Spaltentladung ersetzt werden. Des Weiteren ist eine Kombination von vertikaler und horizontaler Entladung möglich wobei die notwendige Umlenkung der Entladung zu einer weiteren Erhöhung des Spannungsabfalls führt.
Fig. 9 zeigt eine weitere Variante der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform eines Distanzkörpers, und zwar als Zylinder im Inneren der Funkenstrecke.
Die Varianten 1 und 2 sind hier gekennzeichnet von einem unteren Zylinderteil 301 und einem oberen Zylinderteil 302.
Gemäß Variante 1 weist der untere Zylinder 301 eine kreisrunde Nut 303 zwischen den beiden Ringschlitzen 304 auf. Die Ringschlitze oder Ringnuten 304 besitzen einen unterschiedlichen Durchmesser zur Gasumlenkung . Denkbar sind auch eine oder mehrere Verbindungsnuten 306 gemäß Variante 2.
Zwischen den beiden Zylindern 301 und 302 können sich auch, wie in der Fig . 4 prinzipiell dargestellt, Zündhilfen befinden.
Bei der Ausführungsform eines zylinderförmigen Distanzkörpers 3 nach Fig . 10 ist ein mäanderförmig verlaufender Kanal 307 vorgesehen. Die Mäanderstruktur verläuft hier in axialer Richtung .
Der Innenteil 308 des Zylinders kann aus einem anderen Material als der Außenteil 309 bestehen. Hier können Materialien unterschiedlicher Leitfähigkeit gewählt werden.
Die resultierende Kanallänge 307 kann bei gleichbleibender Zylinderhöhe über die Steigung, d . h. den Mäanderverlauf eingestellt werden.
Der Zylinder für den Distanzkörper nach Fig . 11 weist wiederum ein Außenteil 309 und ein Innenteil 308 auf.
Im Innenteil 308 sind gewindeähnlich verlaufende Nuten 35 vorhanden, die von der Oberseite bis zur Unterseite des Distanzkörpers 3 verlaufen. Über die Steigung der im Wesentlichen parallel verlaufenden Nuten 35 ist eine Einstellmöglichkeit der Kanallänge bei konstanter Zylinderhöhe gegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Gekapselter, druckfest ausgeführter blitzstromtragfähiger Überspannungsabieiter mit Netzfolgestromlöschvermögen, umfassend zwei beabstandet isoliert gegenüberliegende Hauptelektroden (1; T)1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer Vielzahl von Entladungsstrecken zumindest bei impuls- förmigen Stoßstrombelastungen im Raum zwischen den Hauptelektroden (1; 2) mindestens eine Distanzscheibe oder ein Distanzkörper (3) aus einem nicht- leitendend, nichtleitenden aber gasabgebenden, leitfähigen oder halbleitenden Material angeordnet ist, wobei die Distanzscheibe oder der Distanzkörper (3) mehrere parallel verlaufende Kanäle (31), konzentrische Ringspalte (32) und/oder gewindeähnliche Nuten (35) aufweist und gegenüber den Hauptelektroden (1; 2) bei leitfähiger oder halbleitender Ausführung isoliert ist.
2. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzstück oder der Distanzkörper (3) von beiden Hauptelektroden (1; 2) beabstandet und bei leitfähiger oder halbleitender Ausführung mit einer der Hauptelektroden (2) mittels eines Tragteils (4) in elektrischer Verbindung steht.
3. Überspannungsabieiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragteil (4) an der gesamten Oberfläche der Distanzscheibe oder des Distanzkörpers (3) anliegt und ebenfalls Kanäle, Ringspalte und/oder Nuten aufweist, deren Lage mit denjenigen in der Distanzscheibe oder dem Distanzkörper (3) zur Bildung durchgehender Entladungsstrecken übereinstimmt.
4. Überspannungsabieiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Tragteil (4) gegenüberliegenden Oberfläche der Distanzscheibe oder des Distanzkörpers (3) ein Isolationsteil (10) mit Kanälen, Ringspalten und/oder Nuten angeordnet ist, welches den Abstandsraum zwischen der Hauptelektrode (1) und der Distanzscheibe oder dem Distanzkörper (3) ausfüllt, wobei die Kanäle, Ringspalte und/oder Nuten dieser Stapelanordnung fluchten.
5. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an oder auf jeder der Hauptelektroden (1; 2) jeweils eine Distanzscheibe oder ein Distanzkörper (3) vorgesehen ist.
6. Überspannungsabieiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Raum zwischen den sich gegenüberliegenden Distanzscheiben oder Distanzkörpern (3) mindestens eine isoliert eingeführte Zündelektrode (9) befindlich ist.
7. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Distanzscheiben (3a bis 3d) untereinander und zu den Hauptelektroden (1; 2) beabstandet vorgesehen sind, wobei die Kanäle, Spalte und/oder Nuten benachbarter (3a; 3b) Distanzscheiben versetzt zueinander verlaufen.
8. Überspannungsabieiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzscheiben elektrisch in Reihe geschaltet und gegenüber beiden Hauptelektroden (1; 2) isoliert ausgeführt sind .
9. Überspannungsabieiter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der Hauptelektroden (1) eine Zündelektrode (11) angeordnet ist.
10. Überspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils einem Paar von Distanzscheiben Mittel zur Ionisation und/oder Potentialsteuerung vorgesehen sind .
11. Überspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Distanzscheiben (3a bis 3d) Stützelemente angeordnet sind .
12. Überspannungsabieiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzscheiben oder Distanzkörper (3) aus einem gasabgebenden Material bestehen oder derartige Materialien aufweisen.
13. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzscheibe oder der Distanzkörper (3) von beiden Hauptelektroden (1; 2) beabstandet angeordnet ist, wobei eine der Hauptelektroden (2) von einem leitenden oder halbleitenden, eine Reihenimpedanz bildenden Teller (19) abgedeckt ist und die Distanzscheibe oder der Distanzkörper (3) mittels eines Tragteils (4) mit dem Teller (19) in elektrischer Verbindung steht.
14. Überspannungsabieiter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Tragteil (4) und dem Teller (19; 20) ein Spalt (200) ausgebildet ist, wobei die Hauptelektrode (2) Fortsätze (2a) zum Fixieren des Tragteils (4) aufweist.
15. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Distanzkörper (3) umlaufende Ringspalte (17) aufweist, wobei der Distanzkörper (3) auf einer der Hauptelektroden (2) aufliegt und in dieser Hauptelektrode (2) Kanäle oder Bohrungen (18) befindlich sind, welche sich mit den Ringspaltaustrittsöffnungen im Distanzkörper (3) in Deckung befinden.
16. Überspannungsabieiter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle oder Bohrungen (18) in einen Entlüftungsspalt (7) übergehen oder mit diesem in Verbindung stehen.
17. Überspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine druckdichte Ausführung.
18. Überspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch vorgesehene Entlüftungskanäle (7) kleinen Querschnitts.
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