EP3834260B1 - Anordnung zur zündung von funkenstrecken - Google Patents

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EP3834260B1
EP3834260B1 EP19768780.9A EP19768780A EP3834260B1 EP 3834260 B1 EP3834260 B1 EP 3834260B1 EP 19768780 A EP19768780 A EP 19768780A EP 3834260 B1 EP3834260 B1 EP 3834260B1
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EP
European Patent Office
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layer
electrode
main
trigger electrode
arrangement according
Prior art date
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EP19768780.9A
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EP3834260C0 (de
EP3834260A1 (de
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Uwe Strangfeld
Sebastian Haas
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Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T15/00—Circuits specially adapted for spark gaps, e.g. ignition circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/16—Series resistor structurally associated with spark gap

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for igniting spark gaps with a trigger electrode located on or in one of the main electrodes and insulated from this main electrode, the trigger electrode being electrically connectable to the further main electrode via at least one voltage-switching or voltage-monitoring element and between the main electrode and the further main electrode there is an air gap, wherein the trigger electrode forms a sandwich structure with an insulation layer and a layer made of a material with lower conductivity than the material of one of the main electrodes, the insulation layer is designed as a thin film or lacquer layer and the layer made of the material with lower conductivity with one of the main electrodes is in contact or rests on it, according to the preamble of claim 1.
  • Spark gaps can be differentiated in terms of their behavior as breakdown or sliding spark gaps. Such spark gaps can be triggered, but can also be carried out untriggered. In triggered spark gaps, there is at least one trigger electrode in addition to the main electrodes. Ignition with triggered spark gaps occurs either through the use of an ignition transformer, which results in a high response voltage of the correspondingly well-insulated trigger electrode or, alternatively, through a special arrangement of the trigger electrode in relation to the main electrode without an ignition transformer.
  • Triggered spark gaps generally have a controllable response behavior.
  • a trigger voltage can be applied directly via a conductive housing present there to form a partial spark gap in the discharge space.
  • the main spark gap between the main electrodes is ignited.
  • an ignition transformer is used there, which is part of the trigger device.
  • ignition transformers require a considerable amount of installation space.
  • the magnitude of the ignition voltage generated on the secondary side in the ignition transformer depends on the current change di/dT on the primary side. If such a current pulse does not have sufficient steepness, the voltage occurring on the secondary side is not sufficient to reliably ignite the spark gap.
  • an ignition transformer can be omitted.
  • Such trigger electrodes have permanent electrical contact with one of the two main electrodes. This means that there is no galvanic separation of the main potentials. For this reason, a voltage-switching element, for example in the form of a gas arrester, must be connected to the trigger circuit.
  • the generic solution has a trigger electrode which forms a sandwich structure with an insulating layer and a layer made of a material with lower conductivity than the material of one of the main electrodes.
  • the insulation layer is preferably designed as a thin film or lacquer layer.
  • the layer of the material is lesser Conductivity is in contact with or rests on one of the main electrodes.
  • the layer dielectric of the sandwich structure appears as a series connection of a first partial capacitance with the dielectric of the insulation section and a second partial capacity with the material of lower conductivity as the dielectric, the partial capacitances being chosen to be very low.
  • the material M of the sandwich structure has a conductivity that is many times worse than the material of one of the main electrodes.
  • the ignition arc is extended over the thickness of the layer made of material M.
  • the thin insulation section between the trigger electrode and the layer of poorly conductive material can preferably be implemented using circuit boards.
  • the trigger electrode then corresponds to the applied conductor track and the insulation layer to the lacquer layer above it, with a front section remaining free of lacquer layer.
  • the previously known solution DE 10 2011 102 937 A1 creates a plasma jet or plasma beam in the base area of an arrangement preferably designed as a horn spark gap.
  • This beam results in a strong and rapid targeted movement of ionized gases and charge carriers.
  • This transport is used to significantly accelerate the ignition of the main path between the main electrodes, which can reduce the load on the trigger electrode and the sandwich structure and reduce the residual voltage of the spark gap.
  • the plasma jet effect explained above is characterized by the expression of a preferred direction of the ionized gas flow.
  • measures can be taken which, on the one hand, influence the formation of the jet, but also the direction, so that the effect of a rapid ignition of the main path arises.
  • the proposed beam with its very effective ionization of air distances particularly suitable, which in turn ensures effective operation of the preferred horn spark gap.
  • the electrode arrangement as well as the insulation layer and the layer made of the material with lower conductivity result in a preferred alignment of otherwise only stochastic plasma jets.
  • the material with lower conductivity can be suitable for releasing gas, which enables further targeted generation of the plasma jet.
  • the disadvantage is the fact that even the smallest, relatively low-energy pulses from overvoltage events are sufficient to ignite the entire spark gap. This results in possible adverse aging of the corresponding surge arrester arrangement.
  • the DE 10 2014 102 065 A1 discloses an ignition element for use in a surge protection element having at least two electrodes and a spark gap formed between the two electrodes, the ignition element having at least one insulating layer.
  • the insulating layer has at least two conductive, low-current-carrying areas, each of which extends between the top and bottom of the insulating layer, so that there are at least two conductive connections between the top and the bottom.
  • the DE 10 2004 006 988 A1 discloses an overvoltage protection device with a trigger electrode, an impedance being arranged in series with the trigger electrode in the trigger path.
  • the trigger electrode can be electrically connected to the further main electrode via at least one voltage-switching or voltage-surging element.
  • the trigger electrode forms a sandwich structure with an insulation layer and a layer made of a material with lower conductivity than the material of one of the main electrodes.
  • the insulation layer is preferably designed as a thin film or lacquer layer.
  • the layer made of the material of lower conductivity is in contact with one of the main electrodes or rests on it.
  • the arrangement is now developed in such a way that an energetic limit or an energetic threshold value can be determined, with energetically weak overvoltage events being derived below the specified limit or threshold value without the spark gap between the main electrodes responding. If the limit or threshold value is exceeded, the corresponding triggered discharge process takes place by igniting the main spark gap.
  • the basic idea of the invention is to only use those that can be spatially and structurally integrated into the spark gap itself for determining the limit or threshold value and the means to be provided for this purpose. Additional external wiring where necessary housing bushings and other structural measures must be explicitly excluded.
  • the insulation layer of the sandwich structure is interrupted outside the ignition area in order to dissipate energetically weak overvoltage events without responding to the spark gap formed between the main electrodes.
  • an electrical component that influences the response behavior is integrated into the spark gap between the trigger electrode and the main electrode.
  • an electrical connection is formed between the trigger electrode and the layer of lower conductivity, whereby the dissipable energy content of the overvoltage event can be determined by the limited conductivity or the resistance of the layer of lower conductivity. This in turn allows the aforementioned limit or threshold value to be set.
  • the aforementioned electrical component is an integrable, miniaturized resistor.
  • the overall spark gap ignites with a delay. If the energy content of the overvoltage or overvoltage event is higher, the overall spark gap ignites with a delay. If the energy of the pulse exceeds a predetermined level, such a high voltage drops across the layer of lower conductivity that the auxiliary ignition spark gap ignites and thus the main spark gap can be ignited. The amount of delay can be determined by the structural design and material sizes or material properties can be influenced. The auxiliary ignition spark gap is ignited by a flashover of the insulation gap in the ignition area.
  • the main spark gap ignites at a comparable speed, as is known from the prior art.
  • the trigger electrode is formed by a conductor track of a film circuit board and the insulation layer is formed by an insulating cover, in particular a lacquer layer on the conductor track.
  • the insulating cover is exposed for the interruption, so that the exposed section of the conductor track can be brought into contact with the layer of lower conductivity.
  • the layer of lower conductivity can preferably consist of a conductive plastic material or be formed from a material with a carbon fiber content.
  • the representation according to the Figures 1 and 2 comprises an electrically conductive trigger electrode T, which is covered by an insulation layer I in the direction of the main electrode H2.
  • the insulation layer I is followed by a layer made of a material M with lower conductivity.
  • the layer made of material M lies on the surface of the main electrode H2.
  • External elements can be connected between trigger electrode T and the main electrode H1 via a connection A.
  • the means provided there can include, for example, gas arresters, varistors, diodes or similar electrical components.
  • the spark gap formed by the main electrodes H1 and H2 can be designed as a horn spark gap and is electrically connected between the paths L and N/PEN.
  • the configuration shown corresponds in principle to the arrangement for plasma jet generation DE 10 2011 102 937 A1 and the explanations there about the structural design. In this respect, reference is made to the relevant explanations in the DE 10 2011 102 937 A1 referred to, which embody the knowledge of the relevant expert here.
  • Fig. 1 An electrical component R which influences the response behavior is connected between the trigger electrode T and the main electrode H2.
  • the value of the resistance R determines the response behavior and thus an energetic limit based on the ignition process of the corresponding spark gap.
  • the voltage drop resulting across the resistor R is not sufficient to enable ignition in the ignition area of the arrangement.
  • the arrangement of the resistor R makes it possible to dissipate low-energy overvoltage events immediately without the main spark gap responding and thereby aging unnecessarily.
  • the thin insulation layer I is interrupted outside the ignition and flashover area, so that a conductive connection of the trigger electrode T with the material of lower conductivity M takes place. Due to the resistance value of the material M, this creates the possibility of diverting overvoltage events via the path of the trigger electrode, the material of lower conductivity M and the main electrode H2, without the main spark gap between the further main electrode H1 and the main electrode H2 responding.
  • the energy content of the overvoltage is so low that only a very small current flows and the voltage dropped in the poorly conductive material M is not sufficient to flash over the insulation layer I. This means that the flashover area does not respond and the overvoltage is diverted solely through the energy image area.
  • the layer made of the material M not only has the task of extending the ignition arc by extending the direct flashover distance from the trigger electrode T to the main electrode H2, but rather the resistance value of the poorly conductive material is increased by contacting the trigger electrode with the Layer M used to divert weak overvoltage events.
  • This design allows for any separate electrical or electronic Components for controlling the response behavior, especially in the case of very weak overvoltage events, are completely dispensed with.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Zündung von Funkenstrecken mit einer an oder in einer der Hauptelektroden befindlichen, gegenüber dieser Hauptelektrode isolierten Triggerelektrode, wobei die Triggerelektrode mit der weiteren Hauptelektrode über mindestens ein spannungsschaltendes oder spannungsüberwachendes Element elektrisch verbindbar ist und zwischen der Hauptelektrode und der weiteren Hauptelektrode ein Luftspalt besteht, wobei die Triggerelektrode mit einer Isolationsschicht und einer Schicht aus einem Material mit geringerer Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden eine Sandwichstruktur bildet, die Isolationsschicht als dünne Folie oder Lackschicht ausgebildet ist und die Schicht aus dem Material geringerer Leitfähigkeit mit einer der Hauptelektroden in Kontakt steht oder auf dieser aufliegt, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Funkenstrecken können hinsichtlich ihres Verhaltens als Durchschlag- oder Gleitfunkenstrecke differenziert werden. Solche Funkenstrecken sind getriggert, aber auch ungetriggert ausführbar. Bei getriggerten Funkenstrecken existiert neben den Hauptelektroden mindestens eine Triggerelektrode. Die Zündung bei getriggerten Funkenstrecken erfolgt entweder über den Einsatz eines Zündtransformators mit der Folge einer hohen Ansprechspannung der entsprechend gut isolierten Triggerelektrode oder bei einer Alternative durch eine besondere Anordnung der Triggerelektrode bezüglich der Hauptelektrode ohne Zündtransformator.
  • Getriggerte Funkenstrecken verfügen grundsätzlich über ein steuerbares Ansprechverhalten.
  • Bei der druckfest gekoppelten Funkenstreckenanordnung zum Ableiten von schädlichen Störgrößen durch Überspannungen nach DE 200 20 771 U1 ist unmittelbar über ein dort vorhandenes leitfähiges Gehäuse zur Bildung einer Teilfunkenstrecke im Entladungsraum eine Triggerspannung anlegbar. Über die Teilfunkenstrecke wird die Hauptfunkenstrecke zwischen den Hauptelektroden gezündet. Weiterhin kommt dort ein Zündtransformator zum Einsatz, der Bestandteil der Triggereinrichtung ist.
  • Zündtransformatoren benötigen jedoch einen nicht unerheblichen Bauraum. Darüber hinaus ist die Größe der im Zündtransformator sekundärseitig generierten Zündspannung von der primärseitigen Stromänderung di/dT abhängig. Wenn ein solcher Stromimpuls nicht über eine ausreichende Steilheit verfügt, genügt die sekundärseitige auftretende Spannung nicht, um die Funkenstrecke sicher durchzuzünden.
  • Wenn die Triggerelektrode mit einer der Hauptelektroden in Verbindung steht, kann ein Zündtransformator entfallen. Während des Zündvorganges wird bei derartigen Lösungen zwischen einer der Hauptelektroden und der Triggerelektrode eine Gleitentladung ausgelöst, die nach einer bestimmten Zeit die weitere Hauptelektrode erreicht und den Zündvorgang auslöst.
  • Eine derartige Lösung ist beispielsweise in der DE 101 46 728 B4 offenbart.
  • Derartige Triggerelektroden haben permanent elektrischen Kontakt zu einer der beiden Hauptelektroden. Dies bedeutet, dass keine galvanische Trennung der Hauptpotentiale vorliegt. Aus diesem Grunde muss in den Triggerstromkreis ein spannungsschaltendes Element, zum Beispiel in Form eines Gasableiters, geschalten werden.
  • Aus der DE 10 2011 102 937 A1 ist eine Anordnung zur Zündung von Funkenstrecken vorbekannt, welche eine an oder in einer der Hauptelektroden befindliche, gegenüber diesen Hauptelektroden isolierten Triggerelektrode aufweist und mit der das Ansprechverhalten in einem großen Bereich vorgebbar ist.
  • Diesbezüglich weist die gattungsbildende Lösung eine Triggerelektrode auf, die mit einer Isolationsschicht und einer Schicht aus einem Material mit geringerer Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden eine Sandwichstruktur bildet. Die Isolationsschicht ist bevorzugt als dünne Folie oder Lackschicht ausgebildet. Die Schicht aus dem Material geringerer Leitfähigkeit steht mit einer der Hauptelektroden in Kontakt oder liegt auf dieser auf.
  • Das Schichtdielektrikum der Sandwichstruktur stellt sich als eine Reihenschaltung einer ersten Teilkapazität mit dem Dielektrikum der Isolationsstrecke und einer zweiten Teilkapazität mit dem Material geringerer Leitfähigkeit als Dielektrikum dar, wobei die Teilkapazitäten sehr gering gewählt sind.
  • Das Material M der Sandwichstruktur besitzt eine vielfach schlechtere Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden. Über die Dicke der Schicht aus dem Material M erfolgt eine Verlängerung des Zündlichtbogens.
  • Die dünne Isolationsstrecke zwischen der Triggerelektrode und der Schicht aus schlecht leitendem Material kann bevorzugt durch Leiterplatten realisiert werden. Die Triggerelektrode entspricht dann der aufgebrachten Leiterbahn und die Isolationsschicht der darüber befindlichen Lackschicht, wobei ein stirnseitiger Abschnitt lackschichtfrei bleibt.
  • Die vorbekannte Lösung nach DE 10 2011 102 937 A1 , deren Offenbarungsinhalt zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung erklärt wird, schafft einen Plasma-Jet oder Plasma-Strahl im Fußpunktbereich einer bevorzugt als Hörnerfunkenstrecke ausgebildeten Anordnung. Dieser Strahl führt zu einer starken und schnellen zielgerichteten Bewegung von ionisierten Gasen und Ladungsträgern. Dieser Transport wird dazu genutzt, um die Zündung der Hauptstrecke zwischen den Hauptelektroden deutlich zu beschleunigen, wodurch die Belastung der Triggerelektrode und der Sandwichstruktur reduziert werden kann und die Restspannung der Funkenstrecke sinkt.
  • Der vorstehend erläuterte Plasma-Jet-Effekt ist gekennzeichnet durch die Ausprägung einer bevorzugten Richtung der ionisierten Gasströmung. Es können gemäß dem Stand der Technik Maßnahmen ergriffen werden, die zum einen die Entstehung des Strahles, aber auch die Richtung beeinflussen, so dass der Effekt einer raschen Zündung der Hauptstrecke entsteht. Zur Überwindung der Luftstrecke zwischen den Hauptelektroden ist der vorgeschlagene Strahl mit seiner sehr effektiven Ionisierung von Luftdistanzen besonders geeignet, was wiederum für ein effektives Betreiben der bevorzugten Hörnerfunkenstrecke sorgt. Durch die Elektrodenanordnung sowie die Isolationsschicht und die Schicht aus dem Material mit geringerer Leitfähigkeit ergibt sich eine bevorzugte Ausrichtung ansonsten nur stochastischer Plasma-Jets. Insbesondere das Material mit geringerer Leitfähigkeit kann zur Gasabgabe geeignet sein, dass eine weitere gezielte Erzeugung des Plasma-Jets ermöglicht.
  • Die Lösung nach DE 10 2011 102 937 A1 bietet gegenüber klassischen, unisolierten Stromtriggerungsverfahren den Vorteil einer sehr schnellen Zündung der Hauptfunkenstrecke, wodurch alle anderen Komponenten der Funkenstreckenanordnung energetisch geringer belastet werden und somit miniaturisiert auslegbar sind.
  • Nachteilig ist jedoch die Tatsache, dass auch kleinste, relativ energieschwache Impulse von Überspannungsereignissen genügen, um die Gesamtfunkenstrecke zu zünden. Hierdurch ergibt sich eine mögliche nachteilige Alterung der entsprechenden Überspannungsableiteranordnung.
  • Die DE 10 2014 102 065 A1 offenbart ein Zündelement zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement, das mindestens zwei Elektroden und eine zwischen den beiden Elektroden ausgebildete Funkenstrecke aufweist, wobei das Zündelement mindestens eine isolierende Schicht aufweist. Die isolierende Schicht weist mindestens zwei leitfähige, gering stromtragfähige Bereiche auf, welche sich jeweils zwischen der Oberseite und der Unterseite der isolierenden Schicht erstrecken, so dass zwischen der Oberseite und der Unterseite mindestens zwei leitfähige Verbindungen bestehen.
  • Die DE 10 2004 006 988 A1 offenbart eine Überspanngsschutzeinrichtung mit einer Triggerelektrode, wobei im Triggerpfad eine Impedanz in Reihe zur Triggerelektrode angeordnet ist.
  • Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung zur Zündung von Funkenstrecken unter Nutzung einer Triggerelektrode anzugeben, wobei diesbezüglich auf das Grundprinzip der Plasma-Jet-Zündung zurückgegriffen werden soll, um die hierdurch gegebenen Vorteile zu nutzen, andererseits aber auch sicherzustellen ist, dass keine vorzeitige Alterung entsprechend ausgerüsteter Überspannungsableiter mit derartigen Funkenstrecken resultiert, indem bei geringen Energiegehalten von Überspannungsereignissen verhindert wird, dass der eigentliche Überlastbereich zwischen den Hauptelektroden, insbesondere den Hauptelektroden einer Hörnerfunkenstrecke, aktiviert wird.
  • Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Anordnung gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
  • Demnach wird von einer Anordnung zur Zündung von Funkenstrecken mit einer an oder in einer der Hauptelektroden befindlichen, gegenüber dieser Hauptelektrode isolierten Triggerelektrode ausgegangen.
  • Die Triggerelektrode ist mit der weiteren Hauptelektrode über mindestens ein spannungsschaltendes oder spannungsüberwachsendes Element elektrisch verbindbar.
  • Zwischen der Hauptelektrode und der weiteren Hauptelektrode besteht ein Luftspalt.
  • Die Triggerelektrode bildet mit einer Isolationsschicht und einer Schicht aus einem Material mit geringerer Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden eine Sandwichstruktur.
  • Die Isolationsschicht ist bevorzugt als dünne Folie oder Lackschicht ausgebildet. Die Schicht aus dem Material geringerer Leitfähigkeit steht mit einer der Hauptelektroden in Kontakt oder liegt auf dieser auf.
  • Erfindungsgemäß wird die Anordnung nun so weitergebildet, dass eine energetische Grenze bzw. ein energetischer Schwellwert festlegbar ist, wobei unterhalb des festgelegten Grenz- oder Schwellwertes energetisch schwache Überspannungsereignisse ohne Ansprechen der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden abgeleitet werden. Tritt ein Überschreiten des Grenz- oder Schwellwertes ein, erfolgt der entsprechend getriggerte Ableitvorgang durch Zünden der Hauptfunkenstrecke.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun weiterhin darin, für die Grenz- oder Schwellwertfestlegung und die hierfür vorzusehenden Mittel nur auf solche zurückzugreifen, die in die Funkenstrecke selbst räumlich und baulich integrierbar sind. Eine zusätzliche externe Beschaltung bei gegebenenfalls notwendigen Gehäusedurchführungen und sonstigen baulichen Maßnahmen gilt es explizit auszuschließen.
  • Demnach wird erfindungsgemäß für ein Ableiten energetisch schwacher Überspannungsereignisse ohne Ansprechen der zwischen den Hauptelektroden gebildeten Funkenstrecke die Isolationsschicht der Sandwichstruktur außerhalb des Zündbereiches unterbrochen. Alternativ oder ergänzend ist zwischen der Triggerelektrode und der Hauptelektrode in die Funkenstrecke integriert ein das Ansprechverhalten beeinflussendes elektrisches Bauelement geschalten.
  • Durch die Unterbrechung der Isolationsschicht ist eine elektrische Verbindung zwischen der Triggerelektrode und der Schicht geringerer Leitfähigkeit gebildet, wobei durch die begrenzte Leitfähigkeit bzw. den Widerstand der Schicht geringerer Leitfähigkeit der ableitbare Energiegehalt des Überspannungsereignisses bestimmbar ist. Hierdurch wiederum kann der vorerwähnte Grenz- oder Schwellwert festgelegt werden.
  • Bei einer Ausführungsform ist das vorerwähnte elektrische Bauelement ein integrierbarer, miniaturisierter Widerstand.
  • Überspannungsereignisse mit kleinsten Energiegehalten, zum Beispiel Burst-Impulse, führen im Allgemeinen nicht mehr zum Zünden der Gesamtfunkenstrecke, da die geringe bzw. minimale Impulsenergie in der Schicht geringerer Leitfähigkeit abgebaut wird.
  • Ist der Energiegehalt der Überspannung bzw. des Überspannungsereignisses höher, zündet die Gesamtfunkenstrecke quasi verzögert. Übersteigt die Energie des Impulses ein vorgegebenes Maß, fällt an der Schicht geringerer Leitfähigkeit eine so hohe Spannung ab, dass die Zündhilfsfunkenstrecke zündet und somit die Hauptfunkenstrecke gezündet werden kann. Das Maß der Verzögerung kann über die konstruktive Gestaltung und die Materialgrößen bzw. Materialeigenschaften beeinflusst werden. Das Zünden der Zündhilfsfunkenstrecke erfolgt durch einen Überschlag der Isolationsstrecke im Zündbereich.
  • Bei all den Überspannungen mit größeren Energiegehalten, zum Beispiel bei direkten oder indirekten Blitzimpulsen, zündet die Hauptfunkenstrecke vergleichbar schnell, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Triggerelektrode durch eine Leiterbahn einer Folienleiterplatte und die Isolationsschicht durch eine isolierende Abdeckung, insbesondere eine Lackschicht auf der Leiterbahn gebildet.
  • Für die Unterbrechung ist die isolierende Abdeckung freigelegt, so dass der freigelegte Abschnitt der Leiterbahn mit der Schicht geringerer Leitfähigkeit in Verbindung bringbar ist.
  • Die Schicht geringerer Leitfähigkeit kann bevorzugt aus einem leitfähigen Kunststoffmaterial bestehen oder aus einem Material mit einem Kohlefaseranteil gebildet werden.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
  • Hierbei zeigen:
    • Fig. 1
    ein Ersatzschaltbild mit der prinzipiellen Anordnung von Hauptelektroden einer Funkenstrecke sowie einer Sandwichstruktur, umfassend eine Triggerelektrode mit einer Isolationsschicht sowie einer Schicht aus einem Material geringerer Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden und Parallelschaltung eines elektrischen Bauelementes in Form eines Widerstandes zwischen Triggerelektrode und zugehöriger Hauptelektrode sowie
    Fig. 2
    eine Darstellung ähnlich nach Fig. 1, jedoch mit angedeuteter Unterbrechung der Isolationsschicht, so dass die Triggerelektrode außerhalb des Zündbereiches in Kontakt zur Schicht mit dem Material geringerer Leitfähigkeit gelangt, um bei geringen Energiegehalten eines Überspannungsereignisses ein unmittelbares Ableiten ohne Ansprechen der Gesamt-Funkenstrecke zu erreichen.
  • Die Darstellung nach den Figuren 1 und 2 umfasst eine elektrische leitfähige Triggerelektrode T, die von einer Isolationsschicht I in Richtung der Hauptelektrode H2 bedeckt ist.
  • Der Isolationsschicht I folgt eine Schicht aus einem Material M mit geringerer Leitfähigkeit.
  • Die Schicht aus dem Material M liegt auf der Oberfläche der Hauptelektrode H2 auf.
  • Über eine Verbindung A können externe Elemente zwischen Triggerelektrode T und der Hauptelektrode H1 geschalten werden. Die dort vorgesehenen Mittel können zum Beispiel Gasableiter, Varistoren, Dioden oder ähnliche elektrische Bauelemente umfassen.
  • Die durch die Hauptelektroden H1 und H2 gebildete Funkenstrecke kann als Hörnerfunkenstrecke ausgebildet sein und ist elektrisch zwischen den Pfaden L und N/PEN geschalten.
  • Die dargestellte Konfiguration entspricht im Prinzip der Anordnung zur Plasma-Jet-Erzeugung nach DE 10 2011 102 937 A1 und den dortigen Erläuterungen zum konstruktiven Aufbau. Insofern wird auf die diesbezüglichen Darlegungen in der DE 10 2011 102 937 A1 verwiesen, die das Wissen des hier relevanten Fachmannes verkörpern.
  • Erfindungsgemäß wird nach Fig. 1 zwischen der Triggerelektrode T und der Hauptelektrode H2 ein das Ansprechverhalten beeinflussendes elektrisches Bauelement R geschalten. Der Wert des Widerstandes R bestimmt das Ansprechverhalten und damit einen energetischen Grenzwert bezogen auf den Zündvorgang der entsprechenden Funkenstrecke.
  • Bei geringen Energiegehalten entsprechender Überspannungsereignisse reicht der über den Widerstand R sich ergebende Spannungsabfall nicht aus, um eine Zündung im Zündbereich der Anordnung zu ermöglichen. Es gelingt also durch die Anordnung des Widerstandes R energieschwache Überspannungsereignisse unmittelbar abzuleiten, ohne dass die Hauptfunkenstrecke anspricht und hierdurch unnötig altert.
  • Gemäß der Darstellung nach Fig. 2 ist anstelle der Parallelschaltung des Widerstandes R eine vollintegrierte Lösung gezeigt.
  • Diesbezüglich wird die dünne Isolationsschicht I außerhalb des Zünd- und Überschlagsbereiches unterbrochen, so dass eine leitfähige Verbindung der Triggerelektrode T mit dem Material geringerer Leitfähigkeit M erfolgt. Hierdurch wird bedingt durch den Widerstandswert des Materials M eine Möglichkeit geschaffen, Überspannungsereignisse über den Pfad Triggerelektrode, Material geringerer Leitfähigkeit M und Hauptelektrode H2 abzuleiten, ohne dass es zu einem Ansprechen der Hauptfunkenstrecke zwischen den weiteren Hauptelektrode H1 und der Hauptelektrode H2 kommt.
  • In einem solchen Fall ist also der Energiegehalt der Überspannung so niedrig, dass nur ein sehr kleiner Strom fließt und die im schlecht leitfähigen Material M abfallende Spannung nicht ausreicht, die Isolationsschicht I zu überschlagen. Damit spricht der Überschlagsbereich nicht an und es wird die Überspannung allein durch den Energieabbildbereich abgeleitet.
  • Steigt hingegen der Strom aufgrund eines Überspannungsereignisses sehr stark an, so dass die im Material M abfallende Spannung die Isolationsschicht I überschlägt und ein Zündfunken generiert, kommt es zur Zündung der Gesamt-Funkenstrecke.
  • Es kommt bei dieser Ausführungsvariante der Erfindung der Schicht aus dem Material M nicht nur die Aufgabe der Verlängerung des Zündlichtbogens durch Verlängerung der direkten Überschlagsstrecke von der Triggerelektrode T zur Hauptelektrode H2 zu, vielmehr wird der Widerstandswert des schlecht leitfähigen Materials über die Kontaktierung der Triggerelektrode mit der Schicht M genutzt, um schwache Überspannungsereignisse abzuleiten. Durch diese Ausgestaltung kann auf jedwede separate elektrische oder elektronische Bauelemente zur Steuerung des Ansprechverhaltens, insbesondere bei sehr schwachen Überspannungsereignisse, komplett verzichtet werden.

Claims (7)

  1. Anordnung zur Zündung von Funkenstrecken mit einer an oder in einer der Hauptelektroden (H2) befindlichen, gegenüber dieser Hauptelektrode (H2) isolierten Triggerelektrode (T), wobei die Triggerelektrode (T) mit der weiteren Hauptelektrode (H1) über mindestens ein spannungsschaltendes oder spannungsüberwachendes Element (A) elektrisch verbunden ist und zwischen der Triggerelektrode (T) und der weiteren Hauptelektrode (H1) ein Luftspalt besteht, wobei die Triggerelektrode (T) mit einer Isolationsschicht (I) und einer Schicht aus einem Material (M) mit geringerer Leitfähigkeit als das Material einer der Hauptelektroden (H1, H2) eine Sandwichstruktur bildet, die Isolationsschicht (I) als dünne Folie oder Lackschicht ausgebildet ist und die Schicht aus dem Material (M) geringerer Leitfähigkeit mit der Hauptelektrode (H2) in Kontakt steht oder auf dieser aufliegt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für ein Ableiten energetisch schwacher Überspannungsereignisse ohne Ansprechen der zwischen den Hauptelektroden (H1; H2) gebildeten Funkenstrecke die Isolationsschicht (I) der Sandwichstruktur außerhalb des Zündbereiches durch eine Unterbrechung (U) unterbrochen ist und/oder zwischen der Triggerelektrode (T) und der Hauptelektrode (H2) ein das Ansprechverhalten beeinflussendes elektrisches Bauelement geschalten ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    durch die Unterbrechung (U) der Isolationsschicht (I) eine elektrische Verbindung zwischen der Triggerelektrode (T) und der Schicht aus dem Material (M) geringer Leitfähigkeit gebildet ist, wobei die begrenzte Leitfähigkeit bzw. der Widerstand der Schicht aus dem Material (M) geringer Leitfähigkeit den ableitbaren Energiegehalt des Überspannungsereignisses bestimmt.
  3. Anordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das elektrische Bauelement ein Widerstand (R) ist.
  4. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    bei geringem Energiegehalt des Überspannungsereignisses durch das elektrische Bauelement und/oder die Schicht aus dem Material (M) geringer Leitfähigkeit ein Strom zur Hauptelektrode (H2) fließt, wobei das Maß des Spannungsabfalles am elektrischen Bauelement (R) und/oder an der Schicht aus dem Material (M) geringer Leitfähigkeit bestimmt, ob die Überspannung unmittelbar abgeleitet wird oder ob der Spannungsabfall zu einem Überschlag der Isolationsstrecke (I) im Zündbereich bzw. Überschlagsbereich (Z) und damit zur Zündung der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden (H1 und H2) führt.
  5. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Triggerelektrode (T) durch eine Leiterbahn einer Folienleiterplatte und die Isolationsschicht (I) durch eine isolierende Abdeckung, insbesondere Lackschicht, auf der Leiterbahn gebildet ist, wobei für die Unterbrechung (U) die isolierende Abdeckung freigelegt ist, und der freigelegte Bereich mit der Schicht aus dem Material (M) geringer Leitfähigkeit in Verbindung steht.
  6. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schicht aus dem Material (M) geringer Leitfähigkeit aus einem leitfähigen Kunststoffmaterial besteht.
  7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Schicht aus dem Material (M) geringer Leitfähigkeit aus einem Material mit Kohlefaseranteil besteht.
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