EP2630707B1

EP2630707B1 - Funkenstrecke mit mehreren in reihe geschaltenen, in stapelanordnung befindlichen einzelfunkenstrecken

Info

Publication number: EP2630707B1
Application number: EP11771124.2A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Krauss; Michael Waffler; Arnd Ehrhardt; Stefanie Schreiter; Steffen Beier
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2010-10-22
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2031-10-17
Also published as: CN103181041B; US8890393B2; CN103181041A; US20130278129A1; DE102011102864A1; EP2630707A1; WO2012052388A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, welche durch Isolierstoffscheiben voneinander beabstandet und mit einer Federkontaktierung versehen sind, wobei die Einzelfunkenstrecken ring- oder scheibenförmige Elektroden aufweisen, sowie weiterhin mit Steuerelementen zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über der Stapelanordnung, gemäß Patentanspruch 1.
Bei den bekannten Gleichstromanwendungen muss der Lichtbogenstrom, durch Erhöhung des Lichtbogenspannungsbedarfs auf Werte größer als die zur Verfügung stehende Netzspannung, zu Null gezwungen werden (Gleichstromlöschprinzip). Ausgehend von der allgemein bekannten Lichtbogengleichung, bei der sich die Gesamtlichtbogenspannung aus der Summe der Anoden-/Katodenfallspannung und dem Produkt aus Lichtbogenlänge und Lichtbogenfeldstärke ergibt, erhält man unterschiedliche Ansatzpunkte zur Erhöhung der betreffenden Lichtbogenspannung.
Eine besonders effektive Variante ist die Reihenschaltung mehrerer Teillichtbögen und somit die Aufsummierung der Anoden-/Katodenfallspannungen. Dieses physikalische Prinzip der Reihenschaltung mehrerer Funkenstrecken wird bereits sehr lange für Mittelspannungsableiter genutzt. In der DE 395 286 wird ein Ableiter, bestehend aus zwei oder mehreren einander berührenden, scheibenförmigen Widerstandskörpern, beschrieben. Jeder Widerstandskörper besitzt eine oder mehrere Rippen bzw. Erhöhungen von erheblich höherem spezifischen Widerstand als die übrige Masse der Scheibe. Die Höhe der Rippe oder Rippen und damit der Abstand zwischen den einzelnen Elektroden liegt zwischen 0,02 mm und etwa 0,4 mm. Zwischen den Scheiben sind nur wenige Berührungsstellen vorhanden, die den Funkenübergang einleiten und der Funkenentladung gestatten, sich rasch über die ganze Fläche der Scheibe auszubreiten.
Die Rippen bestehend aus einem Material mit erhöhtem spezifischen Widerstand werden während der Herstellung der Elektrodenscheiben z.B. durch Oxidation hergestellt. Dieses Herstellungsverfahren ist bei Einhaltung der notwendigen Toleranzen sehr aufwendig. Zudem besitzt dieser Ableiter keine Steuerelemente, so dass die Ansprech- und Restspannung sich als Summe der Einzelwerte der Teilfunkenstrecken ergibt und die gewünschten Anforderungen an eine minimale Restspannung nicht erfüllt werden können.
Bei den bis dahin bekannten Stapelanordnungen ohne Hilfseinrichtungen zur Spannungssteuerung über den einzelnen Teilfunkenstrecken kam es häufig zu einer Spannungsüberlastung und/oder zu einem unerwünschten Ansprechen des "schwächsten" Elementes und damit zu einem raschen Ausfall einzelner Komponenten oder des gesamten Ableiters.
Um oben genannte Ausfallerscheinungen verhindern zu können, wurden später an derartigen Stapelanordnungen Zusatzelemente parallelgeschalten, um die Spannungsverteilung über den einzelnen Teilfunkenstrecken zu homogenisieren und somit den Ableiter hinsichtlich seines Ansprechverhaltens zu verbessern. Eine Anordnung mit Steuerelemente wird z.B. in der WO 1982/00926 beschrieben. Als bekannter Stand der Technik wird hierbei die Parallelschaltung von linearen, nichtlinearen und/oder kapazitiven Widerständen vorgestellt, um eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung über den einzelnen Teilfunkenstrecke zu erreichen, welche untereinander in Reihe geschaltet sind.
Alternativ zu einer gleichmäßigen Spannungsverteilung über den einzelnen Teilfunkenstrecken wird entsprechend der DE 737 825 als Grobschutz gegen Überspannungen eine Mehrfach-Schutzfunkenstrecke für Hochspannungsanlagen vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines stark gekrümmten Verlaufes der Stoßcharakteristik derselben, eine Hilfsfunkenstrecke und eine damit in Reihe liegende Impedanz (Kapazität, spannungsabhängiger oder spannungsunabhängiger Widerstand) vorgesehen ist, weiche zu mindestens einer der Überschlagsstrecken der Schutzfunkenstrecke parallel geschaltet ist und die Spannungsverteilung an den in Reihe liegenden Überschlagsstrecken derart steuert, dass mindestens an einer derselben ein höherer Spannungswert auftritt, als der ihr zugeordnete Spannungsanteil beträgt. Die Schutzfunkenstrecke ist in so viele Überschlagsstrecken unterteilt, dass der bei einem Ansprechen der Schutzfunkenstrecke über die Überschlagsstrecken fließende betriebsfrequente Strom selbsttätig erlischt.
Weitere Steuermöglichkeiten mittels Kapazitäten oder Impedanzen sind u.a. aus den Schriften CH 252 433 A , CH 210 132 A , DE 23 64 034 C3 und CH 215 001 A bekannt.
Bei der Nutzung des bekannten Stapelprinzips unter zu Hilfenahme von Steuerelementen für den Einsatz in Niederspannungsanlagen müssen ergänzende Anforderungen u.a. hinsichtlich der Blitzstoßstromtragfähigkeit, des Schutzpegels und der Baugröße beachtet werden. Bei Anwendungen in Niederspannungsanlagen muss die Isolationskoordination der Einzelelemente untereinander beachtet werden, so dass hierbei ein deutlich kleinerer Schutzpegel, als bei Mittel- oder Hochspannungsanlagen erforderlich ist. Durch die bei Niederspannungsanlagen ebenfalls geforderte Blitzstoßstromtragfähigkeit der Impulsform 10/350 us muss der Ableiter derart dimensioniert werden, dass die auftretende große spezifische Energie sicher abgeleitet werden kann. Hierbei werden als Distanzhalter keine Rippen aus Material mit höherem spezifischen Widerstand auf die Elektroden aufgebracht, sondern es wird, wie beispielsweise in der DE 1 256 306 B oder US 2 298 114 beschrieben, eine Stapelanordnung aus scheibenförmigen Elektroden und isolierenden Distanzstücken genutzt.
Eine derartige Stapelanordnung besteht aus einer Abfolge von scheibenförmigen Elektroden mit Isolationsringen, welche jeweils einen radialen Überstand zu den häufig aus Graphit bestehenden Elektroden besitzen. Der gesamte Stapel wird durch mehrere Führungsstangen in axialer Richtung durch Verschrauben verspannt. Die Führungselemente bzw. Halterungen dienen der radialen Positionierung der Graphitscheiben sowie der Isolationsringe untereinander, so dass sich möglichst reproduzierbare Überstände für die äußeren Überschlagsstrecken ergeben. Die Führungselemente sind hierbei so auszulegen, dass die radialen Toleranzen aller Scheibenelektroden bzw. Ringe beachtet werden und dass die Führungen der Einzelteile durch das axiale Verspannen des Stapels nicht zu Unterbrechungen der Druckkette, also zur Spaltbildung führt oder einzelne Teile durch das Verschrauben geschädigt werden. Eine fehlerhafte Verspannung kann neben der Spaltbildung, wodurch eine Erhöhung des Schutzpegels durch die zusätzlichen Überschlagsstrecken unvermeidbar ist, auch zum Bruch der Elektroden oder zum Umbiegen bzw. Verkürzung der Isolationsüberstände führen. Diese Art der Positionierung führt aufgrund der unvermeidbaren radialen und axialen Toleranzen, insbesondere bei zunehmender Anzahl der Einzelteile, zu erheblichen Problemen bei der gewünschten exakten Positionierung dieser Elemente untereinander. Dies betrifft ebenso die genaue Einhaltung der notwendigen Überstände zwischen den Isolationselementen und Elektroden. Derartige Verschiebungen entlang der radialen Achse sind aber, selbst im Neuzustand, kaum vermeidbar, da die Druckachse über die Verschraubung nur über die Summe des gesamten Stapels wirken kann. Die Anzahl der realisierbaren Teilfunkenstrecken ist daher bei den bisher bekannten Ausführungsformen stark begrenzt.
Beachtet man zudem, dass entsprechend ihrer Grundfunktion, dem Ableiten von Impulsströmen, alle Teile des Ableiters erhöhten mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist eine i.A. zuerst reversible und später irreversible Lockerung des Stapels und damit Verschiebung der einzelnen Elemente infolge von Druckwellen, welche von der Höhe und Anzahl der Belastungen abhängig sind, unvermeidbar. Diese Nachteile werden durch die bisher bekannten folgestrombehafteten Ausführungen, wodurch es zu weiteren thermischen und mechanischen Belastungen der Anordnung kommt, noch verstärkt.
Neben der Verschiebung tritt zudem eine unkontrollierte Verunreinigung der Isolationselemente insbesondere der radialen Überstände im Außenbereich durch die Abbrandprodukte auf. Durch die thermische Belastung werden insbesondere die Isolationselemente des Stapels geschädigt. Die üblichen Isolationsringe aus PTFE neigen insbesondere bei derartiger thermischer Belastung und/oder Druck, durch die Verspannung des Stapels, zum Fließen. Durch diese Materialeigenschaften wird ebenfalls die Verpressung des Stapels gelockert, wodurch bereits Spalte zwischen den Einzelelementen entstehen können und somit eine weitere Lockerung durch unkontrollierte, insbesondere radiale, Verschiebung der Einzelelemente stattfindet.
Im Weiterem können auch infolge der mechanischen und thermischen Belastungen radiale Einrisse oder komplette Durchrisse der Isolationsringe entstehen. Diese können zur Abgabe ionisierter Gase in den äußeren Isolationsbereich der Stapelanordnung oder sogar zur Aufhebung einzelner Isolationsstrecken durch Verdrängung des Isolationsringes und somit bis zum Kurzschluss von einzelnen Teilfunkenstrecken führen. Auch bei Isolationsstrecken aus anderen Materialien wie z.B. Keramik besteht aufgrund der bereits bestehenden Verpressung durch die dynamischen Belastungen Rissgefahr, wodurch letztendlich analoge Ausfälle auftreten können.
Aufgrund der Platzverhältnisse innerhalb genormter Reiheneinbaugehäuse und der Art der Stapelanordnung sind die vertikalen und horizontalen Überstände der bisher bekannten Ableiter ohnehin gering. Bei sehr steilen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten, wie zum Beispiel bei Folgeblitzen oder Schaltvorgängen, kann es bereits zum Außenüberschlag dieser Anordnungen mit geringen Überständen kommen. Diese teilweisen oder vollständigen Außenüberschläge der Isolationsstrecken des Stapels können infolge der bereits beschriebenen und unkontrollierbaren Verschiebungs- und/oder Verunreinigungseffekte bei den bisherigen Lösungen auch bei geringeren Spannungssteilheiten auftreten.
Die bisher durch den Stand der Technik bekannten Steuerplatinen werden mittels Klemmkontakt an den Graphitscheiben befestigt. Durch die Verschiebung der Teile, durch Alterung und teilweise auch durch Abbrand kommt es auch hier zur Lockerung bzw. sogar zur Spaltbildung an diesen Kontakten, wodurch es zwangsweise zur Funkenbildung beim Übergang zur Steuerplatine kommt. Diese, bei den bisherigen Anordnungen, nicht vermeidbare Funkenbildung ionisiert, neben den anderen Effekten, zusätzlich den unmittelbaren äußeren Isolationsbereich des Stapels, wodurch die bereits beschriebenen kritischen Außenüberschläge zusätzlich begünstig bzw. direkt gezündet werden.
Die Funkenbildung führt jedoch nicht nur zu Außenüberschlägen des Stapels, sondern auch zu Überschlägen auf den ohnehin überschlagskritischen Leiterplatten, auf denen die Steuerelemente angeordnet sind. Diese einzelnen Steuerelemente und die Distanzen auf den bekannten Leiterplatten besitzen bei den derzeitigen Anordnungen zwischen den Einzelfunkenstrecken nicht die notwendige Spannungsfestigkeit bezogen auf die gesamte Restspannung des Ableiters, also der Spannung, welche maximal über dem gesamten Ableiter auftreten kann. Kommt es zu steileren Vorgängen, zum Zündverzug von einzelnen Teilfunkenstrecken, zur Schädigung einzelner Isolationsstrecken oder von Bauteilen, kann die unzureichende Spannungsfestigkeit von Einzelkomponenten rasch überschritten werden. Dies kann bis zur Überlastung des gesamten Ableiters führen.
Bekannt aus der CN 101090197 A ist eine Stapelanordnung von Einzelelektroden für Niederspannung mit elektrischer Anzeige und externen Steuer- bzw. Zündhilfen, bei denen im Strompfad der Steuerbzw. Zündhilfe mindestens eine Sicherung bzw. eine Thermosicherung vorgesehen ist. Es wird eine Berechnungsformel für die entsprechend notwendigen und gleichgroßen Steuerkapazitäten angegeben.
Zudem wird dort der Strom der Steuer- bzw. Zündhilfe und die Temperatur im Bereich der Steuer- bzw. Zündhilfe überwacht. Bei dieser Ausführungsform besteht jedoch eine unzureichende Wärmekopplung zu den betroffenen Bauteilen, so dass nur eine eingeschränkte Bewertung des thermischen Zustandes der Funkenstrecke möglich ist.
Des Weiteren benötigt die elektrische Anzeige eine eigene Energieversorgung, die zusätzlichen Bauelemente beeinträchtigen die Funktion der Steuer- bzw. Zündhilfe und müssen selbst spannungsfest ausgeführt sein. Trotz der verschiedenen Ausführungsformen der Kontaktierungsarten kann eine funkenfreie Steuerung nicht sicher gewährleistet werden und es ist stets die Integration einer fehleranfälligen Platine notwendig.
In der EP 0 905 840 B1 wird eine Mehrfachfunkenstrecke mit ohmscher, linearer oder nichtlinearer Widerstandsbeschaltung vorgestellt, bei der die erste Funkenstrecke so ausgebildet ist und deren Anode und Katode derart beabstandet sind, dass eine relativ "niedrige" Ansprechspannung von beispielsweise maximal 4 kV erreicht wird. Die Kette aus Widerständen weist in Durchschaltrichtung vorzugsweise logarithmisch abnehmende Widerstandswerte auf. Auch dort wird die Kontaktierung über Kontaktfedern an die Elektroden, welche vorzugsweise aus zylindrischen oder quaderförmigen, scharfkantigen Elementen bestehen, realisiert. Eine derartige Anordnung der Steuerelemente benötigt zur Positionierung der Einzelelemente immer eine externe Platine mit den frei angeordneten Kontaktfedern. Durch diese nicht stets funkenfreie Kontaktierung können auch alle anderen Teilfunkenstrecken des Ableiters beeinträchtigt werden und die Steuerelemente müssten eine ausreichende Spannungsfestigkeit besitzen. Zudem ist eine aufwendige Konstruktion und fehleranfällige Fertigung notwendig, um eine geeignete Zentrierung und damit Einhaltung der notwendigen Luft- und Kriechstrecken realisieren zu können. Die EP 0 905 840 B1 offenbart den Oberbegriff des Anspruchs 1.
Auch bei der DE 101 14 592 A1 wird eine Berechnungsformel für die Dimensionierung der Steuerkondensatoren vorgeschlagen. Es wird dabei eine blitzstromtragfähige Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten Funkenstrecken beschrieben, welche mit Impedanzen, insbesondere Kapazitäten beschälten sind, so dass die Teilfunkenstrecken sukzessive durchschalten. Es werden dabei Impedanzen mit gleichen Dimensionen eingesetzt. Optional können den einzelnen Teilfunkenstrecken Varistoren parallel zugeordnet sein, um auch bei negativen Folgeblitzen den geforderten Schutzpegel einhalten zu können. Als eine wichtige Grundfunktionen des Ableiters wird das Führen und Löschen des Netzfolgestromes beschrieben. Zur Realisierung der beschriebenen Ausführung werden auf einer Platine angeordnete Steuerelemente mit einer unzureichenden Kontaktierung genutzt.
Durch die Nachteile im Aufbau bekannter Ableiter und die unkontrollierbare Alterung wird die übliche und bei der Normprüfung relevante Ansprechspannung des Ableiters nur minimal beeinflusst. Die in der Praxis für den Schutz der Anlage relevante Restspannung des Ableiters wird jedoch nahezu unkontrollierbar, wodurch eine Gefährdung der Anlage nicht auszuschließen ist. Neben diesem Nachteil ist auch das Verhältnis zwischen Ansprechspannung und Restspannung bei der bekannten Ableitergestaltung recht ungünstig und verschlechtert sich mit zunehmender Anzahl der Teilfunkenstrecken immer mehr.
Die bisher häufig für Gleichstromanwendungen genutzten Funkenstreckentechnologien auf Basis des Hörnerprinzips bzw. Löschrohrprinzips haben den Nachteil, dass es im Anschluss einer Stoßstrombelastung technologiebedingt stets zum Fließen eines Netzfolgestromes kommt. Dieser Stromfluss kann konstruktiv nicht vermieden, sondern nur zeitlich begrenzt werden, da er gemäß dem bereits beschriebenen Gleichstromlöschprinzip zu null geführt wird, trotzdem werden alle Teile der Funkenstrecke während dieser Zeitdauer sowohl thermisch als auch mechanisch belastet und es kommt zu einer unvermeidbaren Alterung des Ableiters. Um über die vorgegebene Einsatzdauer ein möglichst alterungsstabiles Verhalten realisieren zu können, müssen die Konstruktionen derartiger Blitzstromableiter diese Belastungen und die damit einhergehende Alterung bzw. den Abbrand z.B. von den eingesetzten Isolierelementen beachten.
Bei den bekannten Produkten, welche nicht folgestromfrei ausgeführt sind, müssen beispielsweise die Fließeigenschaften von kostenintensivem PTFE als Trennstreckenmaterial beachtet werden. Da dieses Material unter Einwirkung von Wärme z.B. durch einen fließenden Folgestrom und den, durch die Verschraubung der Stapelanordnung, stetig anstehenden Druck sich plastisch verformt und einzelne Trennstrecken dadurch kurzgeschlossen werden können. Derartige Beeinträchtigung können durch die unzureichende Wärmekopplung eventuell vorhandener Schutzeinrichtungen nicht detektiert und angezeigt werden, so dass bei einer erneuten Belastung die angeschmolzenen Kanten des Trennstreckenmaterials abreißen können und somit kein definierter und möglichst spaltfreier Übergang zwischen den beiden Elektroden mehr gegeben und die unerwünschte Erhöhung des Schutzpegels unvermeidbar ist.
Aus dem oben Genannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, welche durch Isolierstoffscheiben voneinander beabstandet sind, anzugeben, die sich durch einen einfachen und fehlerresistenten Aufbau sowie eine sichere Montage auszeichnet und die vorstehend erwähnten Nachteile vermeidet. Die Funkenstrecke soll in folgestromfreier Ausführung realisiert werden und mittels spannungsfesten und elektrisch voneinander isolierten Steuerimpedanzen gesteuert werden. Die erfindungsgemäße Funkenstrecke soll neben einer sicheren Funktionsweise selbst bei Alterung auch die Wahrscheinlichkeit der Ausbildung einer Kettenreaktion eines Außenüberschlags von Teilstrecken während hoher Spannungssteilheiten minimieren.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Einzelfunkenstrecken jeweils aus zwei Scheibenelektroden bestehen, welche durch eine Isolierstoffscheibe voneinander beabstandet sind. Die Scheibenelektroden werden in einem Isolierkörper geführt und jeweils innerhalb dieses Körpers über eine Federkontaktierung mit einem integrierten Steuerelement verbunden. Hieraus ergibt sich, dass die einzelnen Teilfunkenstrecken, welche in Reihe geschaltet werden, jeweils aus zwei Isolierstoffelementen mit je einer integrierten Scheibenelektrode bestehen und durch eine Isolierstoffscheibe, z.B. aus Vulkanfiber, voneinander beanstandet sind. Diese, jeweils zwischen zwei Scheibenelektroden bzw. zwei Isolierstoffelementen angeordnete Isolierstoffscheibe bildet durch ihre kreisrunde Ausnehmung zum einen die benötigte Distanz bzw. Überschlagsstrecke für eine entsprechende Teilfunkenstrecke und zum anderen einen ausreichenden Überstand im Randbereich, um einen ungewollten Außenüberschlag zu vermeiden.
Ein Isolierstoffelement beinhaltet jeweils eine Scheibenelektrode und Federelemente zur Kontaktierung des Steuerelements. Über die Federelemente ist das Steuerelement jeweils mit der Scheibenelektrode und dem Führungselement verbunden und wird bevorzugt allseitig vom Isolierstoffelement umschlossen. Dies kann z.B. durch eine Einstecktasche oder auch entsprechend dem später geschilderten Ausführungsbeispiel durch ein Filmscharnier realisiert werden. Diese quasi umschließende Integration des Steuerelements in das Isolierstoffelement und die Abschottung der Kontaktverbindungen untereinander dient der Reduzierung der Gefahr von ungewollten Außenüberschlägen.
Die erfindungsgemäße Funkenstrecke, welche vorzugsweise für Gleichstromanwendungen nutzbar ist, basiert auf einer an sich bekannten Stapelanordnung von Einzelelektroden mit externer Potentialsteuerung mittels Impedanzen. Die Anzahl der Trennstrecken ist so gewählt, dass bis zur Höhe der zulässigen maximalen Betriebsspannung das Verhalten der Funkenstrecke beim Ansprechen quasi folgestromfrei ist. Die Konstruktion der Funkenstrecke ist einfach und preisgrünstig sowie modular an die jeweilige Niederspannungsebene anpassbar. Mit der Erfindung wird das Ziel einer minimalen Restspannung sowie eines vereinfachten Montageverfahrens erreicht.
Die notwendigen Funktionselemente der Teilfunkenstrecken wie z.B. Graphitscheiben mit Steuerelementen und Trennstrecken werden als Einzelmodule konzipiert und von den funktionsbedingten Belastungen wie Druck, Berußung und so weiter freigehalten, so dass sich hierdurch eine Alterungsstabilität und hohe Qualität der gesamten Funkenstrecke ergibt.
Erfindungsgemäß werden die zur Bildung einer der jeweiligen Einzelfunkenstrecken erforderlichen ring- oder kreisförmigen Elektroden in jeweils einen Isolationskörper eingesetzt und von diesem zentriert gehalten, wobei sich die jeweilige Isolierstoffscheibe zwischen den Isolationskörpern befindet und von diesen fixiert ist. Zur Aufnahme und Zentrierung der Elektroden ist im Isolationskörper eine Ausnehmung vorhanden, deren Form der Kontur der jeweiligen Elektrode komplementär ist, wobei die Ausnehmung innenumfangsseitig mindestens teilweise nachgiebige, federnde Zentriervorsprünge oder Zentriernasen besitzt. Durch die jeweilige Zuordnung der Steuerelemente und eine geeignete Zentrierung der einzelnen Scheibenelektroden sowie der dazwischen befindlichen Isolierstoffscheiben wird die Verschiebung der funktionsrelevanten Einzelelemente untereinander vermieden. Dadurch kann eine sichere Druckkontaktierung der einzelnen Teilfunkenstreckenelemente und damit der Gesamtableiterfunktion realisiert werden.
Diese Zentriervorsprünge oder Zentriernasen können bei der Herstellung des Isolationskörpers z.B. durch Spritztechnik angeformt und ausgebildet werden.
Die jeweiligen Isolationskörper weisen einen radialen Fortsatz oder eine entsprechende Anformung auf, welcher bzw. welche mindestens eine Kontaktfeder für eine insbesondere randseitige Kontaktierung der jeweiligen Elektrode aufnimmt. Die Kontaktfeder reicht hierbei mindestens teilweise in die Ausnehmung hinein, um die gewünschte Kontaktierung der Elektrode zu gewährleisten.
Der jeweilige Isolationskörper weist insbesondere im Bereich des radialen Fortsatzes ein Filmscharnierteil auf, welches von einer Öffnungs- in eine Schließposition bewegbar ist.
Das Filmscharnierteil besitzt mindestens eine Ausformung oder Öffnung, um mindestens eines der jeweiligen Steuerelemente aufzunehmen.
Diese Ausformung oder Öffnung kann eine unterschiedliche geometrische Gestalt für entsprechend unterschiedliche, verwechslungssicher gehaltene Steuerelemente besitzen.
Das mindestens eine der jeweiligen Steuerelemente wird über die mindestens eine Kontaktfeder elektrisch angeschlossen. Thermisch und mechanisch anfällige Lötverbindungen können in Fortfall kommen.
Am radialen Fortsatz des Isolationskörpers, von der Kontaktfeder beabstandet, ist eine Aufnahme für ein weiteres federartiges Kontaktelement vorgesehen, wobei der Abstand und die Lage zwischen dem elektrodenfernen Ende der Kontaktfeder und dem zweiten Kontaktelement der Position der Anschlüsse des jeweiligen Steuerelements entspricht.
Das zweite Kontaktelement kann dabei in einen Aussparungsraum hineinreichen, der eines der die Stapelanordnung verbindenden Elemente, z.B. einen Niet oder eine Schraube, aufnimmt. Hierdurch ist eine entsprechende Kontaktierung und Bildung der Reihenschaltung der Stapelanordnung in leichter Weise gegeben.
Erfindungsgemäß ist durch die Zentrierung mittels der Zentriernasen oder Zentriervorsprünge ein umlaufender Luftspalt zwischen der jeweiligen Elektrode und dem jeweiligen Isolationskörper gegeben. Dieser Spalt dient zum einen als Druckausgleichsraum und bildet einen Bereich zur gezielten, nicht störenden Berußung. Bei Bedarf können zusätzliche Entlüftungskanäle innerhalb der Konstruktion integriert werden.
An die Isolationskörper sind darüber hinaus ober- und unterseitig jeweils im Stapel komplementäre, lagersichernde Vor- und/oder Rücksprünge ausgebildet, insbesondere angeformt.
Die Isolierstoffscheiben weisen eine zu den jeweiligen Elektroden weisende Öffnung zur Bildung einer Distanz- oder Trennstrecke auf. Die ebenfalls notwendige äußere Isolationsstrecke wird durch eine ausreichende Überlappung im Randbereich bezogen auf die Scheibenelektrode sichergestellt.
Darüber hinaus besitzen bei einer Ausführungsform die Isolierstoffscheiben einen Erweiterungsabschnitt mit einer Justierungsaussparung, die auch zur Lagesicherung im Stapelverbund dient.
Die Isolierstoffscheiben weisen bei einer bevorzugten Ausführungsform jeweils eine Dicke von ca. ≤ 300 µm auf und bestehen z.B. aus einem Vulkanfibermaterial.
Mindestens Teile oder Abschnitte des Isolationskörpers bestehen aus einem wärmeleitenden Kunststoffmaterial, so dass die im Überschlagsfall entstehende thermische Energie sicher und schnell nach außen abgeführt werden kann.
Die Spannungsfestigkeit der Steuerelemente ist größer oder gleich dem maximal auftretenden Schutzpegel gewählt.
Die Impedanzwerte mindestens einiger der jeweiligen Steuerelemente sind fünf- bis zehnmal größer als die Längskapazität der Stapelanordnung.
Die Isolationskörper können mindestens teilweise farbkodiert werden, um bezogen auf deren Anordnung in der Stapelanordnung und Reihenschaltung Verwechslungen zu vermeiden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine thermisch sensible Überlastanzeige, z.B. ausgebildet als Lottrennstelle, vorhanden.
Die Ansprechspannungen der Einzelfunkenstrecke liegen bei kleiner 1500 V. Die vorerwähnten umlaufenden Zentriernasen oder Zentriervorsprünge, die in ihrer Eigenschaft Federelemente darstellen, dienen dem Ausgleich im Falle von Druckbelastungen des Stapels. Bei einer weiteren Variante besteht die Möglichkeit, die Steuerelemente und deren Kontaktierung als Einlegeteile für ein Spritzgussverfahren auszuführen.
Die Impedanzwerte der einzelnen Steuerelemente können in Abhängigkeit von der konkreten mechanischen Konstruktion und/oder mit Blick auf die eingesetzten Materialien dimensioniert werden. Wie dargelegt, liegt der Impedanzwert der Steuerelemente fünf- bis zehnmal höher als die Längskapazität der Anordnung, wobei der Impedanzwert der letzten Teilfunkenstrecke im Durchschnitt erneut um den Faktor 5 bis 10 mal höher als derjenige der übrigen Steuerelemente ist. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Verhältnis zwischen Rest- und Ansprechstoßspannung kleiner 2,5 erreicht.
Für die Kontaktierung zu einem Außenanschluss wird bei einer bevorzugten Ausführungsform eine sogenannte Tox-Clinchtechnologie, d.h. ein Durchsetzfügen genutzt, und zwar gegebenenfalls in Verbindung mit einer Toleranzausgleichsfläche.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

Fig. 1: eine Prinzipdarstellung einer Stapelfunkenstreckenanordnung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2a: und 2b eine Darstellung des erfindungsgemäßen Isolationskörpers mit Filmscharnier im geöffneten Zustand (Fig. 2a) und im geschlossenen Zustand mit noch nicht eingesetzter Elektrode (Fig. 2b);
Fig. 3: eine Darstellung eines Funkenstrecken-Überspannungsableitersteckteils mit einer noch nicht vollständig kompletten Stapelanordnung von Isolationskörpern mit den entsprechenden Elektroden und Isolierstoffscheiben sowie angedeuteten Verbindungselementen und
Fig. 4: eine Darstellung der kompletten Stapelfunkenstrecke mit Außenanschlüssen, die Steckkontaktflächen umfassen einschließlich einer Toleranzausgleichsfläche an einem der Außenkontakte.

Zur Beseitigung der Nachteile des Standes der Technik wird erfindungsgemäß ein alterungsstabiler Blitzstromableiter in einer folgestromfreien Ausführung mit zugleich niedriger Ansprech- und Restspannung vorgeschlagen. Die Funktionselemente der Teilfunkenstrecken wie Graphitscheiben, Steuerelemente und Trennstrecken werden als Einzelmodule konzipiert und von sonstigen Belastungen wie Druck und Berußung entkoppelt und daher diesbezüglich nicht beeinträchtigt.
Dabei wird in einer folgestromfreien Ausführung auf der Basis der Reihenschaltung von Teilfunkenstrecken mit zusätzlichen Steuerelementen ausgegangen. Es wird hierdurch ein Ablelter erhalten, bei dem es nicht zum Fließen eines Folgestroms kommen kann, selbst dann nicht, wenn eine Stoßstrombelastung vorliegt, da die vorhandene Gegenspannung der Funkenstrecke zu jedem Zeitpunkt größer ist als die anliegende Netzspannung.
Durch die folgestromfreie Ausführung des erfindungsgemäßen Ableiters ergeben sich mehrere Vorteile. Alle wesentlichen Elemente werden nicht einer Langzeitbelastung In Form eines Folgestroms ausgesetzt und somit auch nicht unnötig thermisch und/oder mechanisch belastet. Durch die Vermeidung eines Folgestroms können wichtige Funktionsteile innerhalb des Ableiters auf die Blitzstromtragfähigkeit und den Schutzpegel entsprechend angepasst und dimensioniert werden.
Eine folgestromfreie Ausführungsform wird durch eine entsprechend dimensionierte Anzahl an Teilfunkenstrecken in einer Reihenschaltung erreicht. Eine einzelne Teilfunkenstrecke besteht dabei vorzugsweise aus zwei scheibenförmigen Elektroden und einem Distanzelement, beispielsweise in Ringform aus einem hochohmigen oder isolierenden Material.
Durch die folgestromfreie Ausführung und die damit geringere thermische und/oder mechanische Belastung der Einzelkomponenten kann das Material bzw. die Dicke für die jeweiligen Trennstrecken freier gewählt werden. Durch die Vermeidung eines Folgestroms wird insbesondere eine thermische Verformung bzw. Beeinträchtigung des Trennstreckenmaterials im Randbereich vermieden, da üblicherweise sich die Folgestromlichtbögen vorzugsweise als kontrahierender Lichtbogen im Randbereich ausbilden.
In einfacher Weise werden Elektroden ohne zusätzliche äußere Isolation genutzt, wobei die Überstände des Trennstreckenmaterials ausreichend groß gewählt sind, um Überschläge von einzelnen Teilfunkenstrecken und/oder der gesamten Reihenschaltung zu vermeiden.
Erfindungswesentlich kann auch die Elektrode mit einer spaltfrei aufgebrachten äußeren Isolation, z.B. aus Epoxydharz, technischem Glas oder Lack, überzogen werden, um die erforderliche Gleit- und Luftstrecke innerhalb des Ableiters reduzieren zu können.
Zur Einhaltung der normativen Anforderungen und dem Wunsch nach einer möglichst kleinen Ansprech- und Restspannung der Gesamtanordnung, werden die einzelnen Teilfunkenstrecken so dimensioniert, dass die Impulsansprechspannung kleiner 1500 V beträgt. Um derartig kleine Werte realisieren zu können, wird der Abstand zwischen den beiden Elektroden der jeweiligen Teilfunkenstrecken minimiert. Durch die erfindungsgemäße folgestromfreie Ausführung werden der Ableiter und somit die einzelnen Elektrodenscheiben überwiegend mit Impulsströmen belastet.
Ein solcher Impulsstromlichtbogen bildet sich meist diffus aus und besitzt mehrere Lichtbogenfußpunkte, so dass es zu keiner punktuellen Überlastung, wie bei einem Folgestromlichtbogen, auf der Elektrodenfläche kommt. Durch den diffusen Lichtbogen wird z.B. eine Sublimierung der vorzugsweise eingesetzten Graphitelektroden vermieden und es können, ohne Beeinträchtigung auf das Gesamtverhalten des Ableiters, kleinere Trennstreckendicken genutzt werden. Als besonders geeignet haben sich hierbei Elektrodenabstände von kleiner 300 µm herausgestellt.
Bei den Lösungen des Standes der Technik, wie anhand der Fig. 1 im Prinzip dargestellt, werden Elektroden 4 und isolierende Trennstrecken 3 durch äußere Führungen 5 aus Isolationsmaterial untereinander lagegesichert. Dies erfordet eine aufwendige Konstruktion mit minimalen Toleranzen, wodurch u.a. auch die Montage erschwert ist.
An den äußeren Führungen aus Isolatiomsmaterial liegen die Elektroden 4 unmittelbar an, wodurch diese Führungen bzw. der gesamte isolierende Halter und damit unvermeidbare Gleitstrecken unmittelbar einer Berußung ausgesetzt sind.
Derartige bekannte Ableiter sind in Reiheneinbaugehäuse integrierbar, welche häufig aus einem Unterteil 1 und einem steckbaren Oberteil 2 bestehen.
Die vorerwähnte Berußung und/oder eine thermische Belastung ist beim Stand der Technik durch eintretende Folgeströme begünstigt, wodurch insbesondere bei großen Spannungssteilheiten sowie infolge von Alterungserscheinungen alternative Gleitstrecken bzw. Überschlagsstrecken genutzt werden, so dass die ursprünglich gewünschte Ableiterfunktion nur noch eingeschränkt zur Verfügung steht.
Einzelne Elemente der Stapelanordnung sind durch die äußeren Führungen insgesamt untereinander gehalten und mit separaten Steuerplatinen 6 versehen, welche ein großes Fehlerpotential aufweisen. Infolge funktionsbedingter Druckbelastungen, z.B. während eines Blitzimpulsstroms, kann mit einer derartigen Konstruktion keine exakte Lage der Elemente zueinander und/oder zu den Steuerelementen gewährleistet werden. Die Impulsbelastungen führen gemäß dem Stand der Technik bei stark verspannten und einer nahezu vollständigen Abdichtung zwischen den Scheibenelektroden 4 und den Isolationsringen 3 bei Funktion des Ableiters zu einer unnötig hohen Druckbelastung. Das unkontrollierte Ausblasen von Rückständen infolge des Lichtbogenabbrands führt dann zu einer direkten und im Allgemeinen flächendeckenden Berußung der Isolationsringe, wodurch die ohnehin niedrige äußere Überschlagssicherheit weiter sinkt.
Durch ein quasi Atmen des Stapels während der Belastung gelangt außerdem ionisiertes Gas bzw. Plasma unkontolliert in den besonders überschlagsgefährdeten äußeren Bereich. Damit die bisherigen Konstruktionen auch nach der Belastung mit hohen Drücken möglichst häufig in den Ausgangszustand zurückfinden und eine irreversible Lockerung von vorhandenen Schraubverbindungen spät einsetzt, werden relativ starre und platzraubende Konstruktionen zur Fixierung der Schrauben benötigt. Dies führt zu einem höheren Platzbedarf. Die äußeren Anschlusselektroden benötigen aufgrund der bei dieser Konstruktion unvermeidbaren Verspannungen eine Dicke, welche deutlich größer ist, als die bei verspannungsfreier Führung ausschließlich zur Beherrschung der Impulströme notwendig ist. Auch dies führt zu einem höheren Platzbedarf und einem gestiegenen Materialaufwand. Aufgrund der vorstehend geschilderten mangelhaften Konstruktion ist die Auswahl des Trennstreckenmaterials und deren Dicke stark begrenzt, wodurch der verfügbare Raum innerhalb bekannter Gehäuse für Reiheneinbaugeräte weiter reduziert wird.
Bisherige Schraubverbindungen besitzen eine Schraubrichtung 7, die dazu dient, den Gesamtstapel unter einer gewissen Vorspannung zu halten. Diese Schraubrichtung 7 ist gleich der Druckrichtung 7 infolge des Lichtbogens. Durch den gleichen Richtungssinn ist ein Lösen der Schraubverbindung in Abhängigkeit der Belastungsanzahl nahezu unvermeidbar.
Durch die Wirkung der Druckachse in Stapelrichtung, die Aufweitung des Stapels sowie die notwendigen Maße für eine stabile Halterkonstruktion sind den Ausführungsmöglichkeiten der Funkenstrecke gemäß Stand der Technik als Steckmodul deutliche Grenzen gesetzt, da die notwendigen Steckkräfte nach mehreren Belastungen infolge der Aufweitung der Konstruktion steigen bzw. auch der zwangsweise auftretende Toleranzausgleich zu berücksichtigen ist, was bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht der Fall ist.
Durch den Einsatz von Kontaktierungselementen 8 aus Federmaterial für die jeweiligen Steuerelemente können die einzelnen Elektroden 4 durch die bisher unvermeidbare Lockerung untereinander und/oder in Bezug auf die durch die gleichen Führungen gehaltenen Distanzringe verschoben werden, so dass ein ausreichender Abstand nicht immer gewährleistet ist und die Gefahr von Außenüberschlägen besteht.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Trennstrecken bzw. Distanzringe und die Elektroden der einzelnen Teilfunkenstrecken sicher voneinander beabstandet, isoliert und separat zentriert.
Gemäß den Darstellungen nach den Fig. 2a und 2b wird die Zentrierung durch den Einsatz eines Isolationselements bzw. Isolationskörpers 19 mit einem Filmscharnier 9 für jede einzelne Elektrode 12 gewährleistet.
In einer Ausnehmung des Isolationskörpers 19 befinden sich umlaufende Zentriernasen, z.B. ausgebildet als Federelemente 10, welche die einzelnen Elektroden 12 positionieren.
Das an jedem Isolationskörper 19 befindliche Filmscharnier 9 weist Öffnungen auf, die Steuerelemente 11, z.B. ausgeführt als oberflächenmontierbare Bauelemente, aufnehmen. Es wird also in einer bevorzugten Ausführungsform auf eine separate Platine zur Befestigung notwendiger Steuerelemente wie Impedanzen, Varistoren und so weiter verzichtet, um ein diesbezügliches Fehlerpotential auszuschließen.
Vorzugsweise eingesetzte keramische Bauelemente als Steuerelemente 11 können jeweils direkt in das Filmscharnier 9 integriert werden. Kontaktfedern 13, welche für eine sichere Kontaktierung der Steuerelemente 11 zu den einzelnen Elektroden 12, aber auch zu einem Bezugspotential notwendig sind, werden in das Filmscharnier 9 eingesetzt und sicher positioniert und isoliert gehalten.
Durch die umlaufenden Federelemente 10 an der Innenseite des Isolationskörpers 19 wird die jeweilige Elektrode 12 an die jeweilige Kontaktfeder 13 und das zugehörige Steuerelement 11 gedrückt, so dass eine funkenfreie Kontaktierung gewährleistet ist und keine anfällige Lotverbindung notwendig wird.
Durch die Kontaktierung über die umlaufenden, nachgiebigen, elastischen, insbesondere Federelemente 10 ist auch teilelastisches Verhalten gegeben, um die keramischen Steuerelemente 11 vor eventuell auftretenden Verspannungen sicher zu schützen und Druckbelastungen auszugleichen.
Durch den Einsatz des Isolationskörpers 19 mit Filmscharnier 9 wird ein sehr gutes Überlappungsverhältnis zur Vermeidung von Gleitüberschlägen sowie eine optimale Zentrierung der einzelnen Elektroden gemäß der Darstellung nach Fig. 3 geschaffen.
Die notwendige Beabstandung und somit elektrische Isolierung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektroden 12, welche jeweils in separaten Isolationskörpern 19 zentriert werden, ist durch ein Distanzelement bzw., durch Trennstrecken in Platten- oder Scheibenform (Bezugszeichen 14) gewährleistet. Die entsprechenden Isolierstoffscheiben 14 weisen eine zur jeweiligen Elektrode 12 weisende Öffnung zur Bildung der Distanz- bzw. Trennstrecke auf. Die Isolierstoffscheiben können darüber hinaus einen Erweiterungsabschnitt mit einer Justierungsaussparung zur Aufnahme von Justierelementen, z.B. Nieten oder Schrauben 15 besitzen.
Selbst bei einer unvermeidbaren Druckbelastung, z.B. infolge eines Blitzstoßstroms, wodurch es zu einem quasi Atmen der Stapelanordnung kommt, ist die elastische und selbstzentrierende Anordnung der Elektroden 12 und der Isolierstoffscheiben 14 sowie die jeweilige Zuordnung zu dem jeweiligen Steuerelement 11 und damit eine intakte Ableiterfunktion mit einem gleichbleibend niedrigen Schutzpegel gegeben.
Eine mögliche Berußung an dem Isolationskörper 19 ist lediglich an der Innenkante, mit der die Elektrode 12 über die Federelemente 10 unmittelbar in Kontakt steht, teilweise möglich. Diese Berußung ist jedoch bei einer vorzugsweise Nutzung von Graphit als Elektrodenmaterial an dieser Stelle unproblematisch und führt nicht zu ungewollten Außenüberschlägen und damit nicht zu einer Beeinträchtigung der Ableiterfunktion.
Durch die Zentrierung der einzelnen Elektroden 12 durch die insbesondere angeformten Zentriernasen bzw. Federelemente 10 ist ein nahezu umlaufender Luftspalt gegeben, welcher zusätzlich möglicherweise Berußungspartikel aufnehmen kann, ohne dass es zu einer vollständigen Berußung der Innenkante bzw. den Außenkanten am Isolationskörper kommt.
Es werden weder die vertikalen noch die horizontalen Trennstrecken direkt berußt, da der Ruß in unkritische Bereiche entweichen kann.
Der umlaufende Luftspalt kann ebenfalls als Ausgleichsraum bei Druckerhöhungen infolge der funktionsbedingten Belastungen dienen. Auch können bei Bedarf weitere Entlüftungskanäle in die Einzelelemente wie Elektroden und Trennstrecken des Stapels integriert werden.
Die Isolierstoffscheiben 14 sind so aufgebaut, dass sie zur vorläufigen Justierung der Stapelanordnung notwendige, bereits erwähnte Schrauben oder Nieten als Führungselemente 15 aufnehmen und durch entsprechende Umlenkungen innerhalb der Isolierstoffscheibe in Längs- und Querachse ausreichend von anderen potentialbehafteten Elementen isoliert sind. Dementsprechend sind direkte Gleitentladungen durch entsprechend integrierte Umlenkungen und die gesteuerte Rußabscheidung an extra dafür konzipierten Flächen nicht möglich.
Das Trennelement gebildet durch die Isolierstoffscheiben 14 realisiert die notwendige Distanzstrecke und eine sichere Isolation der aufeinanderfolgenden Elektroden 12, der dazugehörigen Steuerelemente 11 und der notwendigen Kontaktfedern. Vorzugsweise wird hier ein einfach zu fertigendes Stanzelement, z.B. aus Vulkanfiber entsprechender Dicke eingesetzt.
Ein solches Trennstreckenmaterial ist auch bei den geforderten geringen Dicken von ≤ 300 µm noch formstabil und gut in der Fertigung sowie bei der Montage einsetzbar. Ein solches Material ist insbesondere auch bei thermischen Belastungen formstabil und besitzt nur eine geringe Fließneigung. Darüber hinaus ist Vulkanfiber bei mechanischer und thermischer Schockwirkung rissfest und bruchfest sowie gegen mechanische Spannungen in allen Achsen äußerst umempfindlich.
Durch die Integration der Steuerelemente 11 und der Kontaktfedern 13 in das Filmscharnier 9 des Isolationskörpers 19, die separate Führung und Zentrierung der einzelnen Graphitscheiben in den Elektroden 12 in diesem Isolationskörper, die separate Dimensionierung sowie die Positionierung der Isolierstoffscheiben 14 zur Graphitscheibe und zum Isolationskörper 19 kann die mechanische Verspannkraft zur Realisierung der funktional sinnvollen Spaltfreiheit zwischen Elektrode und Trennstrecke realisiert werden, ohne dass die Atmung der Teile bei der Funktion des Ableiters zu einer Verschiebung der Einzelelemente, zur Verrußung der Trennstrecken oder zu sonstigen Schäden führt.
Die Druckbelastung kann erfindungsgemäß keine Schädigung der Verbindungen, der Einzelelemente und der Lage der Teile untereinander bewirken. Gleichfalls führt die unvermeidbare Rußabgabe und die Abgabe von ionisiertem Gas nicht zu unerwünschten Überschlägen am relevanten Bauteil oder Isolationsstrecken.
Durch den vorgeschlagenen Aufbau, welcher sowohl von axialen als auch von radialen Toleranzen unabhängig ist, wird eine Gefahr der Schädigung von Bauteilen auch bei beliebig vielen Teilfunkenstrecken nahezu ausgeschlossen. Die erfindungsgemäße Konstruktion, welche die konstruktiven Nachteile des Standes der Technik überwindet, erlaubt den Aufbau von Stapelfunkenstrecken mit deutlich mehr Teilfunkenstrecken (mindestens ca. 30%) bei gleichbleibendem äußeren Bauraum.
Durch die entsprechend der erfindungsgemäßen Konstruktion ermöglichte Erhöhung der Teilfunkenstreckenanzahl wird gegebenenfalls die Restspannung der Funkenstrecke erhöht. Um dies zu vermeiden, wird der Zusammenhang zwischen den geometrischen Kapazitäten der Konstruktion und/oder der verwendeten Materialien genutzt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird mit dem vorzugsweise eingesetzten Trennstreckenmaterial in Abhängigkeit von der jeweiligen Dicke und Konstruktion bezüglich der einzelnen Teilfunkenstrecken eine Längskapazität der Anordnung berechnet. Als Steuerelement für eine möglichst nichtlineare Spannungsverteilung über der gesamten Reihenschaltung wird dann ein Kapazitätswert genutzt, weicher mindestens 5 bis 10 mal größer ist als die zuvor ermittelte Längskapazität. Ab der zweiten bis zur vorletzten Teilfunkenstrecke werden überall gleichgroße Steuerelemente mit dem berechneten Kapazitätswert verwendet.
An mindestens der letzten Teilfunkenstrecke der Stapelanordnung ist die dazugehörigen Steuerkapazität erneut um einen Faktor 5- bis 10-fach größer als die übrigen Steuerkapazitäten, um an dieser Stelle einen ausreichend großen Energievorrat bereitstellen zu können, so dass die Gesamtfunkenstrecke sicher durchzündet und die Restspannung gegenüber einer üblichen Bemessung mit gleichgroßen Steuerelementen sinkt, so dass der geforderte Schutzpegel stets sicher eingehalten ist.
Die resultierenden Längskapazitäten sind jeweils vom verwendeten Trennstreckenmaterial, deren Dicke sowie der Gesamtkonstruktion abhängig, so dass die optimal einzusetzenden Steuerelemente bei Änderungen der Konstruktion den jeweils neuen Gegebenheiten anzupassen sind.
Eine Gefährdung von Überlastungen einzelner Steuerelemente wird dadurch vermieden, dass Elemente mit einer Spannungsfestigkeit eingesetzt werden, welche bevorzugt mindestens dem auftretenden Schutzpegel des gesamten Ableiters entspricht.
Mit einer derartigen Beschaltung einer Stapelfunkenstrecke mit Hilfe von Steuerelementen wird erreicht, dass das Verhältnis der maximal auftretenden Restspannung über den gesamten Ableiter und der normativ ermittelten Ansprechstoßspannung stets kleiner als 2,5 ist. Die Funkenstrecke inklusive Steuerung ist zudem so bemessen, dass ein Ausfall von bis zu 10% der Teilfunkenstrecken inklusive bzw. ausschließlich der Steuerung im Anwendungsumfeld für die Gesamtfunktion des Ableiters unkritisch ist.
Bei nicht vorhersehbaren Belastungen, z.B., außerhalb des Spezifikationsbereichs, bei denen es zur Überlastung von einzelnen Elementen oder Trennstrecken kommt, wird durch den vorgeschlagenen Aufbau der Stapelanordnung und/oder der Ausbildung der Steuerelemente ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen, wie z.B. einem Vergießen, eine Ausbreitung des Funkens, also eine Kettenreaktion und somit ein Gesamtüberschlag wirksam verhindert.
Für eine einfache und vertauschungssichere Montage des Ableiters werden die verwendeten Isolierstoffkörper 19 mit Filmscharnieren 9 unterschiedlich farblich kodiert und als einzelne Baugruppen vorgefertigt.
Alle gesteuerten Elektroden werden durch die farbliche Kodierung in eine ungerade bzw. gerade Teilfunkenstrecke unterschieden.
Die erste der Teilfunkenstrecken, welche passiv ausgeführt wird, ist in ein separates äußeres Gehäuse eingesetzt.
Die letzte Teilfunkenstrecke der Stapelanordnung, welche mit einem erhöhten Kapazitätswert gesteuert wird, ist von den anderen Filmscharnieren für die geraden bzw. ungeraden Teilfunkenstrecken mit gleichgroßen Steuerelementen erneut durch eine weitere Farbe kodiert und gekennzeichnet. Zusätzlich ist ein Steuerelement in einer anderen somit ebenfalls vertauschungssicheren SMD-Baugröße eingesetzt.
Die untereinander z.B. farblich kodierten Isolierstoffkörper 19 mit Filmscharnieren 9 werden entsprechend der gewünschten Spannung in einfachster Art mit den dazwischenliegenden Isolierstoffscheiben 14 aufeinandergestapelt.
Die Isolierstoffkörper 19 mit Filmscharnieren 9 zentrieren die bevorzugten Scheibenelektroden 12 und z.B. durch entsprechende Führungsnasen auch die bevorzugt als Stanzelemente hergestellten hochohmigen bzw. isolierenden Distanz- bzw. Trennstreckenelemente (Isolierstoffscheiben 14).
Die Stapelanordnung wird bevorzugt mittels Führungselementen 15 justiert, wobei einer der beiden Steckkontakte 16 gemäß der Darstellung nach Fig. 4 über eine sogenannte Toxverbindung, d.h. eine Clinchtechnologie, mit dem Stapel kontaktiert.
Zum einen können mit Hilfe einer derartigen Toxverbindung Bauteile ohne zusätzliche Hilfsmittel verbunden werden. Zum anderen können die bei einer derartigen Stapelkonstruktion unvermeidbar entstehenden Toleranzen durch eine Toleranzausgleichsfläche 20 aufgenommen werden.
Vorstehendes ermöglicht bei äquivalentem Aufbau ohne Modifikations- oder zusätzliche Teile eine freie Wahl der Teilfunkenstreckenanzahl innerhalb der durch das Außengehäuse vorgegebenen Baugröße. Eine Anpassung möglicherweise zu nutzender Steckkontakte ist nicht notwendig, da diese Toleranzen durch die entgegengesetzte Stapelrichtung nicht beeinflusst werden und somit selbst im gealtertenZustand stets eine gute Steckbarkeit gegeben ist.
Durch den erwähnten Toleranzausgleich und die Zentrierung der Elektroden ist eine schnelle und kostengünstige Modifikation des Trennstreckenmaterials und/oder der Trennstreckendicke und/oder der TrennstreckenanzahJ und damit eine Anpassung auf andere Ableiteranforderungen möglich.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Steuerelemente auch noch weiter unter- bzw. gegeneinander versetzt entlang des Elektrodenumfangs innerhalb des Gesamtableiters anzuordnen.
Durch die Integration der Steuerelemente in das isolierende Filmscharnier und die damit verbundenen Vorteile wird zusätzlich Platz geschaffen, so dass selbst bei höheren Spannungen steckbare Lösungen als Reiheneinbaugerät realisierbar sind.
Als Erweiterung ist bei einer Ausführungsform vorgeschlagen, eine temperaturabhängige Anzeige in unmittelbarem thermischen Kontakt zu den Scheibenelektroden 12 auszubilden.
Dabei wird von der größten Temperaturentwicklung in der Mitte der Stapelanordnung ausgegangen und es werden die entsprechenden Verhältnisse bezüglich Wärmekapazität und Wärmeleitung der umliegenden Komponenten berücksichtigt. Ein thermisch sensibles Element 17 ist diesbezüglich im Bereich der Abschlusselektrode 18 positioniert.
Falls eine zusätzliche Wärmeabfuhr notwendig ist, können z.B. auch die Isolierstoffkörper aus einem wärmeleitenden Kunststoff oder Keramik gefertigt sein. Als thermisch sensibles Element 17 kann z.B. ein Lot, Wachs oder ein Kleber genutzt werden. Wenn die Außenelektrode eine Temperatur außerhalb eines festgelegten Betriebsbereichs erreicht, wird z.B. durch Schmelzen des thermisch sensiblen Elements eine vorgespannte Anzeige (nicht gezeigt) freigegeben. Durch die Anzeige kann direkt oder über eine Fernmeldung eine Information über eine thermische Überlastung der Funkenstrecke gewonnen werden.
Zusammenfassend sei nochmals darauf hingewiesen, dass zur Gewährleistung einer reproduzierbaren und alterungsstabilen Ansprechspannung der Teilfunkenstrecken es notwendig ist, dass eine spaltfreie Verbindung zwischen den Scheibenelektroden 12 und der jeweiligen Isolierstoffscheibe 14 besteht. Dies wird dadurch erreicht, dass die Scheibenelektroden 12 mindestens die gleiche Dicke wie die entsprechenden Isolierstoffkörper 19 besitzen. Dadurch ist gewährleistet, dass die axiale Druckbelastung stets über den Scheibenelektröden 12 und die Isolierstoffscheibe 14 und nicht über den Isolierstoffkörper 19 aufgebaut wird. Die Klemmverbindung der Scheibenelektroden in dem Isolierstoffkörper fixiert zudem die Scheibe weder axial noch in radialer Position starr. Dies garantiert selbst bei einem Montagefehler der einzelnen Teile im Isolierstoffelement eine automatische funktionssichere Ausrichtung der Teile nach vollständiger Montage der gesamten Stapelanordnung. Hieraus ergibt sich eine vorteilhafte, weitestgehend von stets gegebenen axialen Toleranzen der Einzelkomponenten unabhängige Ausführung bzw. Konstruktion mit der Sicherstellung einer spaltfreien Kontaktierung und damit einer reproduzierbaren niedrigen sowie alterungsstabilen Ansprechspannung, wobei gleichzeitig Maßnahmen zur Vermeidung der Außenüberschläge realisierbar sind.
Vorstehendes wurde durch die Aufteilung des Stapels in eine Abfolge von einzelnen Isolationsscheiben und Isolationskörpern sowie der Integration jeweils einer Scheibenelektrode, eines Steuerelements und der Kontaktierungsmittel des Steuerelements in einen Isolationskörper erreicht. Die Führungselemente der gesamten Stapelanordnung gewährleisten unabhängig von der Anzahl der Teilstrecken und den Toleranzen der Einzelelemente stets die notwendige Druckverbindung zwischen den Scheibenelektroden und Isolierscheiben.
Die geschilderte Ausführungsform mit radialer Zentrierung dient zur besseren Montierbarkeit und besseren Fixierung der äußeren Überstände der Isolationsscheibe sowie der inneren Ausnehmung der Isolationsscheibe gegenüber den Scheibenelektroden. Hierdurch wird ein kostengünstiger Einsatz des Elektrodenmaterials und der Isolationsscheibe erreicht.

Claims

Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, weiche durch Isolierstoffscheiben (14) voneinander beabstandet und mit einer Federkontaktierung (13) versehen sind,
wobei die Einzelfunkenstrecken ring- oder scheibenförmige Elektroden (12) aufweisen, sowie weiterhin mit Steuerelementen (11) zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über der Stapelanordnung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zur Bildung einer der jeweiligen Einzelfunkenstrecken erforderlichen ring- oder scheibenförmigen Elektroden (12) in jeweils einen Isolationskörper (19) eingesetzt und von diesem zentriert gehalten sind, wobei sich die jeweilige Isolierstoffscheibe (14) zwischen den Isolationskörpern (19) befindet und von diesen fixiert ist,
und zur Aufnahme und Zentrierung der Elektroden (12) im Isolationskörper (19) eine Ausnehmung vorhanden ist, deren Form der Kontur der jeweiligen Elektrode (12) komplementär ist, wobei die Ausnehmung innenumfangsseitig mindestens teilweise nachgiebige, federnde Zentriervorsprünge (10) oder Zentriernasen besitzt.
Funkenstrecke nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweiligen Isolationskörper (19) einen radialen Fortsatz aufweisen, welcher mindestens eine Kontaktfeder (13) zur insbesondere randseitigen Kontaktierung der jeweiligen Elektrode (12) aufnimmt, wobei die Kontaktfeder (13) teilweise in die Ausnehmung hineinragt.
Funkenstrecke nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der jeweilige Isolationskörper (19), insbesondere im Bereich des radialen Fortsatzes ein Filmscharnierteil (9) aufweist, welches von einer Öffnungs- in eine Schließposition bewegbar ist, wobei das Filmscharnierteil (9) mindestens eine Ausformung oder Öffnung besitzt, um mindestens eines der jeweiligen Steuerelemente (11) aufzunehmen.
Funkenstrecke nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eines der jeweiligen Steuerelemente (11) über die mindestens eine Kontaktfeder (13) elektrisch angeschlossen ist.
Funkenstrecke nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
am radialen Fortsatz, von der Kontaktfeder (13) beabstandet, eine Aufnahme für ein weiteres, federartiges Kontaktelement (13) vorgesehen ist, wobei der Abstand und die Lage zwischen dem elektrodenfernen Ende der Kontaktfeder (13) und dem weiteren Kontaktelement (13) der Position der Anschlüsse des jeweiligen Steuerelements (11) entspricht.
Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die Zentrierung mittels Zentriernasen oder Zentriervorsprünge (10) ein umlaufender Luftspalt zwischen der jeweiligen Elektrode (12) und dem jeweiligen Isolationskörper (19) gegeben ist.
Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an den Isolationskörpern (19) ober- und unterseitig jeweils im Stapel komplementäre lagesichernde Vor- und/oder Rücksprünge ausgebildet, insbesondere angeformt sind.
Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Isolierstoffscheiben (14) eine zu den jeweiligen Elektroden (12) weisende Öffnung zur Bildung einer Distanz- oder Trennstrecke aufweisen.
Funkenstrecke nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Isolierstoffscheiben (14) einen Erweiterungsabschnitt mit einer Justierungsaussparung besitzen.
Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Isolierstoffscheiben (14) jeweils eine Dicke von im Wesentlichen ≤ 300 µm besitzen.
Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens Teile oder Abschnitte des Isolationskörpers (19) aus einem wärmeleitenden Kunststoffmaterial bestehen.
Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spannungsfestigkeit der Steuerelemente (11) größer oder gleich dem maximal auftretenden Schutzpegel ist.
Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Impedanzwert mindestens einiger der jeweiligen Steuerelemente (11) 5- bis 10-mal größer als die Längskapazität der Stapelanordnung ist.
Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ,
die Isolationskörper (19) und/oder das Filmscharnier (9) mindestens teilweise farbkodiert sind.
Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine thermisch sensible Überlastanzeige vorgesehen ist.