EP2937956A1 - Überspannungsschutzeinrichtung auf funkenstreckenbasis, umfassend mindestens zwei in einem druckdichten gehäuse befindliche hauptelektroden - Google Patents

Überspannungsschutzeinrichtung auf funkenstreckenbasis, umfassend mindestens zwei in einem druckdichten gehäuse befindliche hauptelektroden Download PDF

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EP2937956A1
EP2937956A1 EP15172222.0A EP15172222A EP2937956A1 EP 2937956 A1 EP2937956 A1 EP 2937956A1 EP 15172222 A EP15172222 A EP 15172222A EP 2937956 A1 EP2937956 A1 EP 2937956A1
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EP
European Patent Office
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voltage
spark gap
electrode
ignition
arc
Prior art date
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EP15172222.0A
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French (fr)
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EP2937956B1 (de
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Peter Zahlmann
Arnd Ehrhardt
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Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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    • 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
    • H01T4/16—Overvoltage arresters using spark gaps having a plurality of gaps arranged in series
    • H01T4/20—Arrangements for improving potential distribution
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel
    • H01T4/12—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel hermetically sealed

Definitions

  • the invention relates to a spark gap based overvoltage protection device, comprising at least two main electrodes located in a pressure-tight housing and at least one auxiliary starting electrode, wherein in the housing volume a functional assembly for reducing the response voltage of the spark gap is housed, which is in communication with one of the main electrodes and the auxiliary ignition electrode according to the preamble of claim 1
  • Surge arresters with a reduced response voltage for example, from the DE 199 52 004 A1 or the DE 198 03 636 A1 known.
  • lightning current arresters for coarse protection and surge arresters for fine protection without the previously customary decoupling via cable routes or by specially dimensioned inductors directly next to each other spatially.
  • the starting aids for high-performance surge arresters are designed for use in low-voltage networks between L and N or else N and PE as active ignition aids. These ignition aids generate a high ignition voltage with the aid of a pulse transformer, through which one of the partial sections is covered in a typical three-electrode spark gap arrangement.
  • this ignition device limits the design possibilities for the main functional element, namely the actual spark gap, given the relatively small dimensions of the surge arresters. This limitation not only concerns the volume generally available, but also the need for the necessary additional contacting of a third electrode.
  • the design of the electrodes according to DE 101 57 817 A1 would also be relatively large, so on the one hand the ignition aid can be added and on the other hand, the ignition aid is protected from the influence of temperature of the thermally heavily loaded electrodes. Furthermore, there is the need of frictional connection to produce reproducible distances of the partial spark gaps between the electrodes, whereby the ignition aid is charged not only thermally, but also by mechanical forces.
  • the DE 195 10 181 A1 is a Zünd Anlagenn from a first spark gap, which is the ignition of a flashover, and a second spark gap, which is the first connected in parallel and the deletion of the secondary stream, presented. Furthermore, reference is made to the integration of a passive, simple ignition aid in a spark gap.
  • the first spark gap is used to set the response voltage and the resulting spark of the pre-ionization of the second, longer and more current-carrying spark gap. Due to the pre-ionization and the voltage drop across the impedance connected in series with the spark gap, the second spark gap is ignited.
  • the second spark gap has, in contrast to the first spark gap, a high surge current carrying capacity and a good follow current extinguishing capability.
  • the ignition aids are connected directly to the respective main electrodes of the spark gap. It has no third auxiliary electrode and there is no direct discharge directly between the main electrodes.
  • the type of preionization is based there on partial discharges, which spread over both sides of the surface of an existing insulation part.
  • One possibility for a spark discharge, as is commonly used in modern low-voltage arresters, does not exist because the auxiliary electrodes of the ignition aid are located on opposite sides of the insulator.
  • This form of ignition aid is sufficient at high potential differences of several kV for rapid ignition. However, if the response voltage is ⁇ 1 kV, such an embodiment of a starting aid is not efficient. Incidentally, the entire Zündhnen is vulnerable to the action of the arc exposed, which can lead to both disruption in their function and for complete destruction.
  • the WO 03/021735 A1 shows a simplified ignition aids for surge arresters, which may be located at least partially inside the spark gap.
  • This ignition aid is based on a series connection of a voltage switching element and a so-called ignition element.
  • the response voltage of the arrester is advantageously determined by the voltage-switching element.
  • the main spark gap is ignited by the fact that after ignition of the voltage-switching element, a current flows through the ignition element, whereby a voltage is built up over the main spark gap.
  • the spark travels along the firing element and extends until the main spark gap rolls over.
  • This solution has functionally significant disadvantages.
  • the crucial component for safe operation is the so-called ignition element.
  • the ignition element in this solution during the entire arc duration, consisting of pulse and follow current, due to the direct parallel arrangement to the main electrodes and thus the entire arc voltage with a current flow, whereby the electrical and thermal stress of the ignition element and possibly also the voltage switching Elements is big.
  • Another requirement for the basic function according to WO 03/021735 A1 is the necessary sparking between standing in electrically conductive contact parts, namely the local electrode and the ignition element. It should be obvious that in the case described there Embodiment, the contact point of load to load even with a spring contact always changed due to melting phenomena or unavoidable contamination. A reproducible spark at such a contact point is thus very difficult to adjust.
  • the aforementioned limitations lead to a very complicated geometry and material selection. Furthermore, the dynamic and thermal stresses caused by the arc and the secondary current can quickly lead to malfunction or defect.
  • the inserted spring for making contact and tracking of the ignition element may possibly track in case of burning or demolition of the tip of the ignition element.
  • the spring can avoid neither a complete break of the ignition element after changes in the contact point due to the formation of melt on the electrode or on the ignition element or the deposits of impurities in the contact area.
  • the spring must also be protected from burn-off products and the thermal and dynamic stresses caused by the arc.
  • Another disadvantage of the cited solution is that the distance of the main electrodes is directly connected to the length of the ignition element.
  • a relatively large main electrode spacing is often advantageous.
  • the response voltage between the electrodes that is, at higher distances, a greater preionization between the main electrodes must be made, so that it can lead to the rollover at the desired low voltages.
  • the distance at which the spark must travel from the bad pad length ens until it reaches the other major electrode. This also restricts, as already mentioned, the choice of the usual means for the sequence current deletion or limitation.
  • the spark gap arrangement after DE 199 52 004 A1 can be operated with both an active and a highly simplified passive ignition aids. These ignition aids are all outside the spark gap.
  • the Zünd Anlagenn consist of a variety of components, which should take over the task of fine protection.
  • this requires relatively large and powerful components, whereby integration into the spark gap is difficult.
  • the task of fine protection also requires a relatively high power consumption and an additional thermal load.
  • the passive ignition aid which advantageously consists of only a few components, although the space requirement would reduce, but the problem of power conversion remains in the realization of fine protection.
  • the disadvantage is in the DE 199 52 004 A1 Furthermore, that the response of the overall arrangement by the geometric design of the spark gap is determined. In this case, the response voltage of the shorter separation path thus defines the response voltage of the entire arrester.
  • a spark arrester overvoltage protection device in particular for low-voltage applications comprising at least two located in a pressure-tight housing main electrodes and at least one auxiliary ignition, which avoids possible sources of interference between ignition aid and spark gap and the principle in all known method for subsequent current deletion, follow current limiting or even the avoidance of subsequent currents in spark gaps can be used.
  • the object of the invention is achieved with a surge protection device on spark gap basis according to the combination of features according to claim 1, wherein the dependent claims represent at least expedient refinements and developments.
  • a simplified starting aid which consists of at least one voltage-switching element, an impedance and an isolating distance.
  • the simplified ignition aid is preferably between two main electrodes and completely in the pressure-resistant housing of the overvoltage protection device, i. integrated into the spark gap itself and becomes part of this. Occurs on such an arrangement, an overvoltage that exceeds the sum of the operating voltages of the switching element and the separation distance of the series circuit, so the ignition aids, whereby a current through the voltage switching element, the impedance and the associated separation distance from the first main electrode to the second main electrode flows.
  • the flameproof enclosure is designed for the control of pressures up to several 10 bar as a result of the strains of the spark gap during lightning and line flow.
  • the damage potential is thus essentially limited by the flameproof enclosure of the spark gap.
  • This also eliminates additional protective measures of the ignition aid itself, such as fuses or the like.
  • a possibly desired evaluation of the state of the arrester is also greatly facilitated, since only the overall function, measurable at the outer terminals of the spark gap, and not individual components, connections and components must be monitored.
  • the Zündanges function module for selectively reducing the operating voltage of the spark gap from a fully integrated into the pressure-tight housing, located outside the arc combustion chamber series connection of a voltage-switching element, an impedance and a separation path is formed, wherein the separation distance by the distance of the auxiliary ignition electrode nearest main electrode is defined.
  • the voltage switching element may for example be a gas arrester. It is also possible to form the voltage-switching element as a suppressor diode, thyristor, varistor and / or as a defined erosion-resistant air or surface spark gap.
  • the auxiliary ignition electrode can itself be designed impedance-related and have a complex resistance.
  • the auxiliary ignition electrode extends partially into the arc combustion chamber or is located in this.
  • the auxiliary ignition electrode may be made of a conductive plastic or a plastic with conductive additives, such as e.g. consist of conductive fibers.
  • the impedance in turn consists of a material with a nonlinear or linear resistance profile.
  • the impedance can also consist of a conductive plastic or a conductive ceramic.
  • one embodiment of the impedance is a discrete device, e.g. Resistor, varistor or capacitance lying within the meaning of the invention.
  • the auxiliary ignition electrode is insulated from the main electrode, wherein the response voltages of each of the main electrodes resulting sub-sections are chosen differently.
  • the response voltage e 1 of the first main electrode to the auxiliary ignition electrode is much larger than the response voltage of the further separation distance e 2 selected.
  • this is designed as a thin, erosion-resistant insulating film, as erosion-resistant paint coating or other thin insulating layer.
  • the overvoltage protection device has means for flowing the arc with hard gas.
  • Hard gas-emitting material surrounds at least sections of the arc combustion chamber to generate the hard gas, wherein the hard-gas-emitting material additionally has conductive properties in order to bring the potential of one of the main electrodes as far as the separating gap of the auxiliary starting electrode.
  • a pressure equalization port prevents accumulation of an undesirable increase in pressure over time.
  • the pressure equalization port may be formed by the housing or by electrode materials which are at least partially gas permeable.
  • portions of the housing may consist of a porous polymer material, porous ceramic or correspondingly porous metal.
  • the overvoltage protection device can have residual voltage limiting means.
  • the conductive, hard-gas-emitting material which is electrically connected to one of the main electrodes in a defined geometry and with defined electrical properties, so that the targeted influencing of the course and the level of the residual voltage can be realized.
  • the resistance of the hard gas-emitting material to the impedance of the series connection of the functional element is lower.
  • the conductive, hard gas-emitting material carries during the load with surge current as well as with subsequent currents part of each flowing total current, so that increases the reliability of the device according to the invention and its long-term stability.
  • the proportion of current which is taken over by the conductive, hard-gas-emitting material is virtually adjustable by the ratio of the resistance of this material to the resistance value of the arc.
  • the average value of the resistance of the conductive, hard gas-emitting material is chosen to be greater than the average, mean resistance value of the arc.
  • the voltage-switching element and / or the discrete impedance can be integrated into one of the main electrodes.
  • one of the main electrodes have an externally accessible cavity, whereby also, if necessary, an interchangeability of the voltage-switching element is ensured.
  • the voltage-switching element is inserted in a single-pole insulated manner in the cavity, wherein the cavity has an internal thread for receiving a conductive screw contacting the inserted voltage-switching element.
  • the end of the auxiliary ignition electrode reaching the arc combustion chamber lies essentially at the same level as the end of the main electrode which reaches into the combustion chamber and is associated with the first separation zone.
  • the Zündangeselektrode laterally offset and / or relative to the arc main combustion chamber set back to protect this can be arranged.
  • a supplementary voltage-switching element which is located outside the pressure-tight enclosure, an adjustment or adjustment of the operating voltage of the overvoltage protection device can take place.
  • the presented overvoltage protection device can also be implemented as a combination of a triggerable partial spark gap high response voltage and at least one downstream partial spark gap low response voltage.
  • the partial spark gaps may include means for internal potential control.
  • the partial spark gaps are mechanically fixed and connected via spacers.
  • the spacers may consist of a conductive, field-controlling material.
  • the spacers and the electrodes of the partial spark gaps may have a sheath, wherein the sheath comprises a shield which is electrically connected on one side for targeted potential distortion or is designed as such itself.
  • the distance of the electrodes which form the partial spark gap with auxiliary ignition electrode is preferably chosen to be greater than the spacing of the electrodes which define the respectively following partial spark gaps.
  • the spacer can be performed for the non-triggerable by the auxiliary ignition partial spark gap as an integral component in terms of manufacturing rationalization and easier installation.
  • additional insulating sections or insulating materials preferably provided in the outer region of the electrodes of the partial spark gap or arranged there.
  • the spacers have on their side remote from the arc combustion chamber on an insulation coating or insulation sheath, which is a complementary measure to avoid unwanted flashovers.
  • the spark gap according to the invention can be embodied as a horn spark gap or else as a stack spark gap.
  • the passive ignition aid 100 accordingly Fig. 1 is integrated into the flameproof enclosure 5 of the spark gap, which has two main electrodes 1 and 2.
  • These main electrodes 1 and 2 are connected at e.g. metallic encapsulation 5 kept isolated from this.
  • the ignition aid 100 consists of a voltage-switching element 4, preferably a gas arrester, but also suppressor diodes, thyristors, varistors, defined erosion-resistant separation sections or a combination of these elements are suitable. Furthermore, the starting aid 100 has an impedance-dependent auxiliary starting electrode 3. There is also the possibility that a discrete impedance 3a exists as a separate element.
  • impedance 3a elements or materials such as plastics or ceramics with linear, but also with non-linear resistances or characteristic curves are suitable.
  • this may e.g. as a resistor, as a varistor, as a capacitor or even made of materials with a corresponding characteristic of such devices.
  • the auxiliary ignition electrode or ignition electrode 3 is insulated from the two main electrodes 1 and 2.
  • the response voltages of the resulting partial spark gaps e 1 and e 2 are designed differently.
  • the response voltage of the distance e 1 , ie the main electrode 1 to the auxiliary ignition electrode 3 is much larger than the response voltage of the distance e 2 , formed by the distance of the main electrode 2 to the auxiliary ignition electrode.
  • the response voltage of the distance e 1 is at least equal, but generally higher than the response voltage of the voltage-switching element 4 of the ignition aid 100th
  • the response voltage of the distance e 2 is at most equal but generally lower than the response voltage of the voltage-switching element 4 of the ignition aid 100.
  • the response voltage of the entire arrester is essentially determined by the response voltage of the voltage-switching element 4 and thus can be selected independently of the usual geometric conditions of the main spark gap.
  • all functionally relevant parts for the response are not exposed to the direct action of arcing. Only one end of the auxiliary ignition electrode 3, which preferably itself impedance-related, e.g. can be performed as a conductive plastic is located partially in the arc combustion chamber and is isolated from the two main electrodes 1, 2 carried out.
  • auxiliary starting electrode 3 is not made of an impedance-affected material, but of a low-resistance material, e.g. As already mentioned, a separate impedance 3a is used, which is then completely outside the direct arc action.
  • the unavoidable burning of all parts in the arc combustion chamber can damage the auxiliary starting electrode 3 only partially. Since the arc erosion takes place on all sides in the entire combustion chamber of the spark gap, all the combustion chamber delimiting parts, including the auxiliary ignition electrode 3, are gradually burned off with their adjacent insulation parts.
  • the electrical parameters of the components integrated in the spark gap are predetermined on the one hand by the geometric dimensions.
  • the power conversion is also limited in favor of a simple construction of the contact points and also the thermal load of the insulation stretches.
  • the performance of the ignition aid in the present embodiment is limited to small impulse powers.
  • Fig. 1 In the description of the general functional description Fig. 1 is shown a basic, simplified geometry of a possible spark gap arrangement. In this arrangement, which relates only to the ignition range, no measures to follow current limit are included for simplicity.
  • the main electrodes 1 and 2 are manufactured in known manner from erosion-resistant, electrically conductive materials such as metals, metallic alloys, sintered metals, graphite, ceramics or composite ceramics.
  • auxiliary starting electrode 3 With regard to the auxiliary starting electrode 3, it should also be noted that, as stated, these are themselves either made of a material having a high impedance, e.g. Resistance material, electrically conductive plastic, plastic with filler or is connected to a separate impedance 3a in the form of a resistor.
  • a material having a high impedance e.g. Resistance material, electrically conductive plastic, plastic with filler or is connected to a separate impedance 3a in the form of a resistor.
  • soot or graphite elements or metal or carbon fibers can be included for setting desired impedance properties, but it is possible to introduce micro varistors or nanotubes.
  • the main electrode 1 is connected to the voltage switching element 4, which is a gas discharge tube, a gas discharge tube with Microgap; a spark gap, an isolating path, a suppressor diode, a varistor or a combination of the aforementioned elements may be connected to the impedance 3a or the auxiliary starting electrode 3 within the outer pressure-resistant encapsulation 5 of the spark gap.
  • the voltage switching element 4 is a gas discharge tube, a gas discharge tube with Microgap; a spark gap, an isolating path, a suppressor diode, a varistor or a combination of the aforementioned elements may be connected to the impedance 3a or the auxiliary starting electrode 3 within the outer pressure-resistant encapsulation 5 of the spark gap.
  • the three electrodes form two parting lines e 1 and e 2 , wherein e 2 has a significantly lower response voltage than the separation distance e 1 .
  • the response voltage of the subsection e 2 is equal to or less than the response voltage of the voltage switching element 4. Since the Gleichan Anlagenportion the entire arrester should be equal to or less than 1 kV, there are special requirements for the execution of the separation distance e 2nd
  • This separation distance e 2 can be realized for example by thin films of erosion-resistant materials or by temperature-resistant coatings, but also by means of special erosion-resistant coatings.
  • a spark is produced between the auxiliary starting electrode 3 and the main electrode 2.
  • the current flows from the main electrode 1 via the impedance 3a, the auxiliary starting electrode 3 and the spark to the main electrode 2.
  • This spark brings charge carriers into the interior of the spark gap, whereby the dielectric strength of the separation distance e 1 is reduced very quickly.
  • a voltage difference which is essentially determined by the magnitude of the current in the ignition circuit and the impedance 3a. This voltage difference exceeds the reduced by the charge carrier input withstand voltage of the isolating distance e 1, so these lights, takes over the current and relieves the ignition circuit.
  • the partial arcs over the separation lines e 1 and e 2 connect and the spark gap ignites between the main electrodes 1 and 2.
  • Fig. 2 shows a spark gap for grid applications, in particular between L and N. This spark gap is able to produce higher arc voltages. These are realized in the present case by flowing the arc with hard gas.
  • a hard gas-releasing substance 10 for example POM, polytetrafluoroethylene polymer-based or mineral-based, for example, CaCO 3 or BaCO 3 , is used.
  • electrically conductive additives such as metal fibers, carbon black, carbon fibers, microvaristors, nanotubes, metal particles, semiconductor particles or even per se conductive polymers, the potential of the main electrode 2 to lead to the separation distance of the auxiliary ignition electrode 3.
  • the spark occurs between the auxiliary ignition electrode 3 and the conductive hard gas-emitting material 10 and can then extend very quickly to the main electrode 2 already or only after the rollover of the separation distance e 1 .
  • the response voltage of the spark gap is determined by a pressure increase, e.g. when using gas discharge arresters as voltage switching element 4 not affected.
  • the distance between the two main electrodes can be extended without influencing the response voltage by using appropriately conductive materials 10.
  • the size of the conductive, hard gas-emitting part 10 is preferably chosen to be larger than the dimensions of the separation distance e 1 .
  • the amount of residual stress in the spark gap arrangement according to Fig. 1 and 2 can be classified into three areas.
  • a first time range begins, as it were, after the voltage-switching element has responded and the separation gap e 2 flashes.
  • the impedance of all these elements determines the voltage drop across the arrester. If the, reduced by the pre-ionization strength of the distance e 1 is exceeded, there is a flashover between the main electrode 1 and the part 10. This results in a discharge of the ignition circuit and it reduces the residual voltage by the voltage drop across the ignition circuit. Now, the residual stress is determined essentially by the part 10. With progressing ionization between the two main electrodes 1 and 2 and the migration of the arc along the part 10, the flashover occurs between the main electrodes 1 and 2. At this time, the residual voltage is determined by the arc between the main electrodes. Of course, the first arc flash over the part 10 and then only the rollover of the separation distance e 1st This is inventively avoidable by a corresponding geometric design. In this way it is prevented that the load of the ignition circuit increases.
  • the residual voltage increases during this period as a function of the currently effective impedance and the pulse current. At high voltage gradients or surge currents, the residual voltage may therefore assume too high values, whereby a hazard or even an overload of the downstream elements may occur.
  • the task of an effective residual voltage limiting is additionally transmitted to the conductive, hard-gas-emitting part 10.
  • a certain dimensioning of the resistance of the part 10 is required according to the embodiment.
  • a purposeful influencing of the course and the height of the residual stress can, moreover, be effected by the geometric addition of the electrical design of the part 10.
  • the resistance of member 10 chosen to be relatively high impedance relative to the impedance 3a the residual stress increases even after the breakdown of the separation distance s 1 to pass.
  • the resistance of the part 10 on the other hand chosen 3a low compared to the impedance, the rise in the residual voltage can be reduced after the roll of the separating section e 1, whereby the risk of excessive residual stress is significantly reduced.
  • the effective effective resistance of the part 10 can be influenced by the material, the geometry of the part and the respective contact surface of the part 10 on the electrode 2. However, the design of the transition region between the part 10 and the auxiliary ignition electrode 10 as well as the positioning of the main electrode 1 are equally effective. If the auxiliary starting electrode 3 is used e.g. with a larger inner diameter than the part 10, it is as against reset to the part, a practically larger contact surface on the part 10 for the spark between the main electrode 1 and the part 10 itself, resulting in a lower effective resistance of the part 10th established.
  • the resistance increases. It can also be carried out in the direction of the axes analogous measures of geometric design.
  • the height of the resistance of the part 10 e.g. As a hollow cylinder with an outer diameter of 18 mm, an inner diameter of 4 mm at a height of 5 mm can be practically varied between several hundred k ⁇ and values up to about 1 ⁇ , without any negative effects on the quenching capacity of the spark gap and the choice of materials , The maximum limitation of the residual voltage results, as explained, at lowest resistance values.
  • the resistance of the part 10 of a spark gap according to Fig. 2 or 3 attains a special significance not only in the residual stress, but also in its effect on the subsequent current quenching.
  • the part 10 is in the described arrangements basically parallel to the arc or at least to portions of the arc. This applies to all loads where the spark gap between the main electrode 1 and 2 is ignited.
  • the part 10 always takes over a portion of the total current both during the load with surge currents as well as the load with subsequent currents. The amount of this portion is dependent on the height of the resistance of the part 10 and the quasi-resistance of the arc.
  • the current-voltage characteristic of an arc is not linear, but due to numerous factors, i.a. depending on the composition of the gas, pressure, temperature and so on. These quantities are in a real spark gap u.a. determined by the geometry, the materials used and the electrical load. The fact that all these variables vary greatly even with fixed spark gap geometry due to aging, the exact arc curve can only be predicted insufficient.
  • the resistance of the arc at the time of ignition and at the time of extinction is in part significantly increased. In this time range, therefore, the parallel resistance of the part 10 takes on a correspondingly higher proportion of current or even the total current at low values ⁇ 10 ⁇ . As a result, charge carriers are naturally removed from the arc, as a result of which the ionization decreases greatly. This leads to premature extinction of the arc. Part 10 leads here the follow current up to the current zero crossing.
  • the low resistance value of the part 10 may also serve to avoid a line follow current arc.
  • the mains voltage is relatively low in relation to the driving voltage of the pulse current and also dependent on the phase position.
  • the parallel resistance of the part 10 virtually reduces the voltage load on the switching path, as a result of which the ignition of the line follow current arc can be prevented.
  • the follow-on current can for one thing be completely prevented or, on the other hand, only a limited follow-on current flows through the part 10 until the current zero crossing. In this mode of action, the extinguishing and firing tips of the arc are avoided.
  • This effect is a positive side effect Incidentally, there is still no risk of damage to the part 10 regardless of the selected conductive material.
  • the resistance of the part 10 corresponds approximately to the resistance of the follow-current arc, is to be expected with a strong current load of the part 10 over the entire arc phase. Therefore, only those materials are used that can not be damaged by a sustained current and temperature effect.
  • the arc resistance has a value substantially between 0.5 and 1 Q in the case of a follow-up current. If this value is exceeded by part 10, this leads to a heavy load on the part 10, but on the other hand, the arc can be extinguished faster or it can be prevented ignition.
  • a safe operation and a hardly limited choice of material for the part 10 is given in particular when the average resistance of the part 10 is generally higher than the average resistance of the arc.
  • interpretations may be useful in which by lowering the average value of the resistance of the part 10 below the mean value of the resistance of the follow-current arc, an arc should be largely avoided in the follow-on current.
  • Conceivable here are conductive ceramics, composite materials, varistor material or the use of PTC material.
  • Fig. 4 to 7 show further design variants of the integrated ignition aid in combination with a spark gap with follow current extinction according to the hard gas principle.
  • the voltage switching element 4 is integrated directly into a recess of the main electrode 1 for protection against, in particular, thermal and mechanical loads.
  • This recess can be designed, for example, in the form of a hole in the power supply of the main electrode. This hole can have an internal thread. By screwing in a conductive screw, the voltage-switching element 4 located in the cavity can then be securely mechanically fastened and contacted.
  • one side of the voltage-switching element 4 is insulated from the main electrode 1 and there is an insulated conductive connection or connection to the auxiliary starting electrode 3.
  • the Zündangeselektrode 3 is introduced into the arc-combustion chamber quasi at the same height with the reaching to the arc-combustion end of the main electrode 1.
  • Fig. 6 shows a representation in which the auxiliary ignition electrode 3 is arranged laterally offset from the arc combustion chamber, which also sets a special protected embodiment of the electrode 3.
  • spark gaps advantageous in which the effort that is necessary in terms of flow and the cooling of the gas released, is to be limited, or even in spark gaps, where the least possible aging of interest.
  • Hard-gas-releasing substances can be partially or completely replaced by electrically conductive substances with linear, but also with non-linear characteristics. These can be, for example, pressure-resistant conductive ceramics, fiber ceramics or composite materials with conductive constituents or, for example, also materials with a varistor characteristic or a PTC characteristic.
  • the pressure build-up is realized by the limited internal volume eg in a cylinder.
  • a sandwich solution can be used.
  • porous basic structure e.g. of conductive ceramic with gas-emitting substances, e.g. POM to fill.
  • the ignition aid explained above can also be used in an embodiment with a plurality of partial spark gaps and does not restrict the use of the generally known methods for controlling the potential of the partial spark gaps.
  • arresters with a series connection of partial spark gaps usually also have externally connected means for potential control.
  • This can be impedances, capacitances, linear and non-linear resistances, their combinations or also additional external spark gaps, which are likewise used for potential control.
  • individual electrode of the partial spark gaps 20 are separated by spacers 21.
  • the material of this spacer 21 can be made of conductive or field controlling material up to the distance or distances, which is provided with a starting aid.
  • an outer casing of the actual spark gaps can be connected to an isolated, unilaterally connected screen for potential distortion 22.
  • the partial spark gap with the ignition aid from the parts 3, 3a and 4 is designed so that, despite possibly occurring contamination, in particular by the burning of the ignition electrode, is able to control the burden of the recurring mains voltage alone after the response of the spark gap ,
  • the distance of the electrodes 22 and 23 of the triggerable via the ignition aid partial spark gap is increased compared to the distance of the other partial spark gaps.
  • a material with high instantaneous solidification can be selected.
  • the material of the remaining sections should have a low erosion and a high electrode drop voltage.
  • the spacers 21 may consist of electrically conductive polymers or ceramics. Their resistance characteristic can be linear, but also non-linear.
  • the material of the spacer 21 in addition to certain dielectric properties, whereby a capacitive control is possible in addition also be provided with micro varistors, resulting in a better potential-controlling effect especially at high slopes.
  • the individual electrically conductive contact holders can also be provided or executed on one or both sides with a thin insulation layer or a defined poor contact be. Although this requires a minimum operating voltage of eg a few 10 V, but promotes the faster escape of the arc from the material and the sparking the ionization of the partial spark gap and thus the ignition of the entire spark gap.
  • the described measures for potential control can also be used to reduce the response voltage of the partial spark gaps 20 by measures known from the field of gas discharge conductors, e.g. support the use of special gases or activation measures.
  • the individual spacers 21 of the non-triggerable partial spark gaps can be replaced by a common spacer.
  • care must be taken that the conductive material is not overloaded by the flowing partial flow. This can be influenced on the one hand by the material selection and on the other hand also by the geometric design in the sense of the thickness and the contact surface.
  • Fig. 10 shows a design variant in which jointly or alternatively applicable measures are used to further reduce the likelihood of unwanted outer rollover.
  • the electrodes of the partial spark gaps may be provided with insulating material 25 in the outer region.
  • the inner diameter of the isolated area is to be selected larger than the inner diameter of the spacers 21.
  • the spacers 21 may further also be surrounded on the outer circumference with a ring of insulating material 26.

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

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

Description

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

Claims (6)

  1. Überspannungsschutzeinrichtung auf Funkenstreckenbasis, umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektroden sowie mindestens eine Zündhilfselektrode, wobei im Gehäusevolumen eine Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke untergebracht ist, welche mit einer der Hauptelektroden und der Zündhilfselektrode in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke aus einer vollständig in das Gehäuse integrierten, außerhalb des Lichtbogen-Brennraums befindlichen Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elements (4), einer Impedanz (3a) und einer Trennstrecke (e2) besteht, wobei die Trennstrecke (e2) durch den Abstand der Zündhilfselektrode (3) zur nächstliegenden Hauptelektrode (2) gebildet ist,
    so dass beim Auftreten einer Überspannung, welche die Summe der Ansprechspannungen des Schaltelements (4) und der Trennstrecke (e2) übersteigt, ein Strom von der ersten der Hauptelektroden (1) zur zweiten Hauptelektrode (2) fließt, mit der Folge, dass der die Trennstrecke (e2) überbrückende Lichtbogen Ladungsträger zur sofortigen Ionisation der Trennstrecken zwischen den Hauptelektroden (1, 2) bereitstellt, wodurch die Spannungsfestigkeit dieser Trennstrecke verringert ist und aufgrund des mit der Stromstärke steigenden Spannungsabfalls an der Impedanz (3a) ein Überschreiten der reduzierten Spannungsfestigkeit der Trennstrecke zwischen den Hauptelektroden eintritt, wodurch das gewünschte Zünden der Funkenstrecke erfolgt und zur Reduzierung der Ansprechspannung der Trennstrecke (e2) diese als dünne, abbrandfeste Isolierfolie, abbrandfeste Lackbeschichtung oder sonstige dünne Isolierschicht ausgebildet ist.
  2. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zündhilfselektrode gegenüber den Hauptelektroden isoliert ist, wobei die Ansprechspannungen der sich zu den Hauptelektroden jeweils ergebenden Teilstrecken unterschiedlich gewählt sind.
  3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ansprechspannung der ersten Hauptelektrode zur Zündhilfselektrode viel größer als die Ansprechspannung der Trennstrecke (e2) ist.
  4. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zum Lichtbogen-Brennraum reichende Ende der Zündhilfselektrode im wesentlichen auf gleicher Höhe des in den Brennraum hineinreichenden Endes derjenigen Hauptelektrode liegt, welche der ersten Trennstrecke (e1) zugehörig ist.
  5. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zündhilfselektrode seitlich versetzt und/oder bezogen auf den Lichtbogen-Hauptbrennraum zurückgesetzt angeordnet ist.
  6. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein ergänzendes spannungsschaltendes Element zur nachträglichen Einstellung und/oder Anpassung der Ansprechspannung außerhalb der druckdichten Kapselung befindlich ist.
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