WO2006074721A1 - Lightning arrester comprising two divergent electrodes and a spark gap acting between the electrodes - Google Patents

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WO2006074721A1
WO2006074721A1 PCT/EP2005/011398 EP2005011398W WO2006074721A1 WO 2006074721 A1 WO2006074721 A1 WO 2006074721A1 EP 2005011398 W EP2005011398 W EP 2005011398W WO 2006074721 A1 WO2006074721 A1 WO 2006074721A1
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WO
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arc
electrodes
surge arrester
chamber
arrester according
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PCT/EP2005/011398
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German (de)
French (fr)
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Peter Zahlmann
Arnd Ehrhardt
Ludovit HÜTTNER
Ferdinand Valent
Ludovit Jurcacko
Original Assignee
Dehn + Söhne Gmbh + 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
    • 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
    • H01T4/14—Arcing horns
    • 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
    • H01T4/04—Housings

Definitions

  • the invention relates to a surge arrester having two diverging electrodes and a spark gap acting between the electrodes, a housing, a sliding aid for the arc acting on the electrode base, and means for magnetically blowing the arc according to the preamble of patent claim 1.
  • overvoltage arresters based on self-extinguishing spark gaps are used in many cases to protect against overvoltages between two active conductors. These spark gaps also serve to protect against direct lightning strike and must therefore have a high surge current discharge capacity.
  • high system availability i. Even with overvoltage, even with lightning, an undisturbed power supply should be made via the mains. This requires from the surge arresters the highest possible follow current extinguishing capacity and also an effective follow current limiting, so that the triggering of the overcurrent protection elements of the network can be avoided. Due to the ever more compact design of the installation environment of the surge arrester, in addition to an installation-friendly design of modern devices, the avoidance of the release of ionized gases into the environment when responding is required.
  • Staple trunks for the medium voltage range as they are often used in a series circuit, occasionally have Isoliersteg- and also splitter chambers, but are not designed for lightning currents of high amplitude and today usual DIN rail mounting.
  • Such spark gaps are generally used in a series circuit with varistors, which take over the current limit to a large extent.
  • the movement of the arc is supported in prior art devices with series-connected high inductance blow coils.
  • the housings, and in particular the electrodes are made of materials which can not control significant lightning currents.
  • the arc must cover relatively long distances to run into the splitter plate chamber, whereby the arc voltage at the beginning of the follow current is low and thus the follow current can rise almost unaffected and the follow current limit reaches only low values in this phase.
  • the current thus attains high instantaneous values, the reduction of which is again very expensive.
  • the mobility of the arc is increased immediately after its ignition by a combination of measures to increase the arc-related intrinsic magnetic field and a staggered gas circulation of the encapsulated executed arrester.
  • at least one of the electrodes for supporting the arc movement is deposited with a ferromagnetic material.
  • an arc chamber is formed within the housing, the electrodes at least partially enclosing, wherein the chamber walls are made of ferromagnetic material or the chamber walls are deposited isolated with a ferromagnetic material.
  • the running behavior at the divergent electrodes is improved by a targeted and staggered gas circulation in the spark gap, which also reduces the pressure reflection and supports the guidance of the arc in a gap-like chamber.
  • the shrinkage of the arc in the current limiting device can be improved in addition to the measures mentioned by the design of the arc inlet region.
  • the electrodes have recesses in the running region of the arc, through which a gas flow reaches the interior of the arc chamber in order to assist the arc movement.
  • the arc chamber walls have further recesses through which a gas flow is guided to support the arc movement in the interior of the arc chamber.
  • the electrodes in the base area each have a bore or the like opening.
  • the bore or the opening is in communication with a groove which is present on the inside of the electrodes, wherein gas can be supplied to the deionization via the bore and the groove of the ignition point of the arc.
  • the arc chamber joins a deion chamber, the deion chamber having an inlet facing the diverging electrodes and a plurality of lateral, slot-shaped outlet openings.
  • Cooling cascades are provided in the channel which leads to the bore in the base of the electrode, or this channel runs meandering in order to cool the gas.
  • the gas which reaches the hole in the base of the electrode can be mixed with ambient air and thereby also cooled.
  • a mixing chamber is arranged below the base of the electrode, which has one or more bores of small cross-section which also act in a pressure-compensating manner to the environment.
  • the holes in the electrode base reach into the mixing chamber or have a corresponding connection to this.
  • a magnet for promoting the movement of the arc can furthermore be arranged.
  • the aforementioned gas-carrying channels are isolated from each other and performed separately to ensure a targeted flow feedback and circulation to the ignition and the running range of the arc.
  • the channels may have certain predetermined cross-sectional areas.
  • a bluff coil may be provided for assisting and amplifying the magnetic field at subsequent currents be, which forms a shunt to one of the electrodes, wherein in the arc running direction before the connection point of the coil, the relevant electrode has a high-impedance section or an insulation section.
  • the proposed measure of the deposit of the electrodes with ferromagnetic material to support the sheet movement is both easy to implement and inexpensive to implement.
  • These materials may be electrically conductively connected to the divergent electrodes.
  • ferromagnetic materials into the electrodes of erosion-resistant material directly behind or next to the arc running surface. If the ferromagnetic material is integrated directly next to the preferred arc running surface, the material can be covered with an insulator to avoid negative signs of wear.
  • the mobility of the arc root can also be supplemented or increased by the deposit or integration of permanent magnets in one or both electrodes.
  • ausgestaltend the ferromagnetic material may be interrupted for design reasons, or from the deposit of the one electrode and two plates or an L-shape and a plate next to the diverging electrodes are formed.
  • the retention time of the arc can be further influenced by the choice of the electrode material expediently.
  • the electrodes each consist of different materials or of alloys or sintered materials.
  • inhomogeneities of the surface have a positive effect.
  • These can also be material-related.
  • Microscopic or even macroscopic structures, which are parallel to the direction of the arc, are particularly advantageous. The higher field emission caused by these measures promotes a sudden movement of the arc root points, whereby the migration speed can be increased.
  • the neutrodiawa minimum can be supported on the rails by tread design, in particular, edges in the direction of positive effect.
  • the rails may consist of layered in the same direction or the same different materials, whereby the lateral direction to the running direction is reduced.
  • the rail material may contain high and low melting components or be composed of these, so that edges or peaks arise in the direction of movement, to which the arc root preferably jump, whereby the arc speed increases and the retention times are reduced.
  • Fiber metals, layered metals or corresponding laminates are conceivable here.
  • the above-described measures reduce the tendency of the arc to persist and promote the initial movement of the same.
  • the arc should be extended as quickly as possible and fed to the quenching chamber.
  • the continuous movement is counteracted by the increased pressure and the reflected pressure waves in the encapsulated trap.
  • Circuit breakers her known systems used. These include, inter alia, Isoliersteghuntn, Löschblechhuntn, Deionhuntn, Guranderschn and their combinations. The operation of these chambers is based on the extension, the cooling and in part the division of the arc.
  • Both the gas outflow from the arc chamber and the gas recirculation into the arc chamber occur via at least two channels.
  • the return and cooling of the hot gases is preferably carried out laterally adjacent to the arc chamber.
  • the recirculation of the cooled gases takes place to a small extent directly in the ignition range of the arc between the diverging electrodes and their base and serves for deionization in this area.
  • the small amount of gas that is fed into this area passes through an additional area for intensive cooling.
  • the gas is passed through narrow channels, preferably made of metal with a high heat capacity.
  • these channels can be integrated without additional space in them.
  • a necessary for encapsulated trap pressure equalization port of small cross-section can be mounted so that it is in communication with the channel with the intensely cooled gas.
  • This supply can be made via one or more channels along the rails.
  • Particularly favorable for this feed is the electrode area, which lies practically above the main area of the pulsed current load. The arc thus enters this area only after overcoming the retention time and a certain running distance along the divergent electrodes. In this initial area is the support of the arc movement due to the intrinsic magnetic field, the ferromagnetic deposit of the electrodes and possibly gas-emitting sliding aids still sufficient.
  • the staggered gas recirculation avoids that long-lasting pulse currents are prematurely excited or cooled to an accelerated movement, whereby the power consumption and the load of the spark gap can be limited.
  • the gas circulation essentially only the follow-current arc is supported in its movement before it enters the quenching chamber.
  • the running range of the arc to the quenching chamber is designed largely gap-like. This makes it possible to achieve that even arcs with relatively low amperage have a cross section in the region of the gap width and thus the gas can not flow alongside the arc, but the greatest possible force is exerted on the arc.
  • the running behavior of the arc along the electrodes is accelerated by the smallest possible gap width.
  • the gap formation in this running region does not lead to an extreme reduction of the cross section compared to the region of the momentum discharge, since otherwise strong pressure reflections could already occur in this lower running region, which negatively influence the running behavior.
  • the cross section of the arc discharge space in the ignition region is essentially determined by the desired height of the pulse to be controlled and the compressive strength of the electrodes and wall materials.
  • the chamber walls it is possible to store the chamber walls elastically. As a result, the chamber walls can move laterally under strong pressure loads. This measure will early reduces the risk of an electrically conductive connection between the electrodes via the lateral chamber walls.
  • the gas outlet from the arc chamber is not only above the quenching chamber, but already staggered in the course of the quenching chamber with lateral versions.
  • the designs are at Löschblech, Deion chambers isolated, so that the spread of the arc can be prevented.
  • the ends of the metal plates of the quenching chamber are protected by insulating distances before the arc spread.
  • the hot gases are passed after leaving the quenching chamber in channels, which preferably extend on both sides parallel to the arc chamber. In these channels, the gas is cooled and then fed to a relaxation space, from which the supply takes place in the arc chamber in the manner described.
  • the surface of the intended channels and cavities should be as large as possible and the wall materials should have a high heat capacity and thermal conductivity.
  • inner walls can thus serve the magnetic baffles or, if present, also the ferromagnetic U-shaped sheathing of the quenching chamber, whereby this takes over two functions simultaneously.
  • the sheath should be suitably laminated. To prevent the arc from short-circuiting over the sheath, it must be insulated on the inside with thin-walled material that is resistant to arc.
  • this insulation can be carried out as an insulating gap, meandering chamber or Isoliersteghunt.
  • this embodiment ensures a gradual or also a sudden increase in the arc voltage when entering the gap region. Is the isolation material still made of gas-emitting substances, an additional pressure increase and thus an immediate increase in the arc voltage can be effected.
  • the isolation chamber To increase the extinguishing capacity of the arc chamber, an additional introduction of Deionblechen in the isolation chamber makes sense. Ideally, however, they should have a different height, so that the number of partial arcs only gradually, i. time-delayed increases. Alternatively, the inlet slots of the sheets can be designed differently or asymmetrically, to force a gradual division of the arc.
  • the inlet of the arc into the quenching chamber should be forced immediately after the ignition area of the arc or after a very short acceleration distance, since otherwise no effective current limitation is possible.
  • the shorter the lead-in area the higher the risk of re-ignition in the region of the ignition range of the spark gap, since the cooling and the deionization of the ignition range within a short period of time and limited possible.
  • an extension of the acceleration section or a deflection of the arc is possible.
  • the arc propagation can be tilted by a certain angle to the direction of the arc or it can be the arc, for example. In a meandering chamber, it can also be moved laterally to its place of origin. With these measures, a direct beam effect of the arc on the ignition is avoidable.
  • blowing coils can be used according to the invention.
  • a homogeneous, independent of the current field field can also be realized by the use of permanent magnets.
  • the leadership of the connections to the firing point can be designed so that an additional force the arc in the Chamber pulls. It is conceivable here, for example, to put a connection loop around the quenching chamber.
  • the surge current flowing as a result of the ignition of the spark gap is fed via a separate lead without a bobbin or a separate winding coil winding with low number of turns to ignition point and that the follow current through a blow coil with a relatively high number of turns to lead, which already generates a strong magnetic field at low currents.
  • this is realized by two power supply to at least one spark plug or an electrode.
  • the electrode is interrupted at one point in an electrically conductive manner or high-resistance. After the arc has been ignited and the surge current, the arc skips over this region and the follow current flows over the blow coil or the portion of the higher number of turns of the blow coil.
  • the electrodes are manufactured in the ignition range of the surge currents from erosion-resistant material.
  • the width and height of these erosion-resistant surfaces on the electrodes in the ignition area should not be less than 4 mm.
  • Fig. 1 is an end sectional view of a surge arrester according to the invention
  • 2 shows a cross-sectional view through an arrester according to the invention
  • FIG. 3 shows an embodiment of an arrester in an end view, in which the electrodes and the ignition region are already covered by the arc
  • Enchamber are surrounded, and
  • Fig. 4 is a side view of a spark gap, in which a blow coil is provided to amplify the magnetic field at follow-up.
  • the surge arrester according to FIG. 1 has an outer housing which represents a quasi pressure-tight enclosure.
  • an electrode assembly 1 is present, wherein the electrodes Ia and Ib (see Fig. 2) diverge horn-shaped.
  • the electrodes 1 have a continuous bore 14 and on its inner side a vertical recess 13, which together form a channel, can be supplied via the gas 8 between the electrodes for deionization of the ignition point 4 in the interior of the spark gap.
  • lateral or frontal recesses may be provided on the electrodes 1.
  • the electrodes 1 additionally have in the running region of the arc lateral recesses 2, through which the main part of the gas circulation 7 is supplied to support the arc movement to the interior of the spark gap.
  • the supply of the gas in this area can also take place by means of lateral recesses 3 or through corresponding apertures or holes in the arc chamber walls 11.
  • These chamber walls may be backed with ferromagnetic material 10 to aid in arc motion. From the interior of the spark gap, the gas passes through several staggered mounted side openings and after the complete passage through the above provided Deionhunt 6, which is almost a part of the arc chamber.
  • the gas flows in one, but preferably in a plurality of separate channels 12, which extend on one or both sides next to the arc chamber 11.
  • the gas After admission to the separate channels, the gas is cooled in these channels and fed through the openings 2, 3 and partially 14 the interior of the spark gap.
  • the cooling can be done here both on existing insulation materials and on the metal components.
  • the gas 8, which serves to deionize the ignition region, is further cooled by the guide in the channel within the electrodes.
  • An additional cooling can be realized by a meandering guide 5 of the gas along cooling walls.
  • FIG. 2 The side view of an embodiment of the invention according to Fig. 2 again shows the main electrodes Ia and Ib, wherein one of the main electrodes (Ib) to support the arc movement with a ferromagnetic Material 10 is deposited. Together with the ferromagnetic material in or on the arc chamber walls 10 (see Fig. 1), the ignition and the running range of the arc between the two main electrodes Ia and Ib is enclosed in a U-shape.
  • Ausgestaltend a magnet 15 can be mounted in the ignition area, whereby the solicitdazzling Gay the arc is promoted.
  • the gas outlet from the arc quenching chamber 6 takes place both through the side openings 17 of the chamber and at the top of the chamber.
  • the escaping gas on the sides, but also on the top can be performed in separate, mutually insulated channels.
  • the return of the gas to close the circulation takes place both in the ignition region through the electrodes and in the running region of the arc via the openings. 2
  • FIG 3 shows a view of the end face of a surge arrester according to the invention, in which the main electrodes 1 and the ignition region are already surrounded by the arc quenching chamber (deion chamber) 6.
  • the time can be reduced until the arc enters the chamber and the ferromagnetic material of the Deion chamber accelerates the ignition of the movement of the arc.
  • FIG. 3 shows the possibility of surrounding the entire arc chamber 6 with a U-shaped ferromagnetic enclosure 18. These as well as the passages for gas circulation are suitably arranged in isolation to the arc chamber 6.
  • a bluff coil 19 is used to amplify the magnetic field at the follower current.
  • This coil forms a shunt to one of the main electrodes 1.
  • the arc is ignited at impulse load at the ignition point 4 between the main electrodes 1.
  • the pulse current flows directly via the main electrode 1 and not via the coil 19. Due to the short duration of the pulse discharge, the arc remains in the region 20 between the main electrodes.
  • the arc also reaches the region between the electrodes, which is identified by the reference numeral 30.
  • the base of the arc reaches the position 22 on the electrode with connected blow coil 19. At this point, the electrode is high impedance or isolated interrupted. After skipping this point, the current flows through the blow coil 19, thereby causing the arc movement to be assisted.
  • the bluff coil 19 may additionally have so-called guide plates, which in turn comprise the running region of the arc in a U-shape.
  • the openings 21 for deionization of the ignition point 4 are designed as grooves transversely and not as a continuous bore in the electrodes.
  • the openings of the gas circulation to support the running behavior of the arc 2 may be mounted above, but also partially below the point of interruption 22.
  • the proposed solution makes it possible to specify an encapsulated surge arrester based on a spark gap with divergent electrodes, wherein a special gas circulation takes place in such a way that the hot gas is staggered and removed from the current-limiting device in separate channels and cooled, and again at least in the arc running direction offset and separate openings through the channels of the arc chamber cold gas is supplied.
  • cold gas can still be supplied from outside through a pressure equalization opening.
  • the U-shaped ferromagnetic material causes a self-magnetic field gain around at least one electrode, wherein the arc chamber can be surrounded with ferromagnetic material.

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Abstract

The invention relates to a lightning arrester comprising two divergent electrodes, a spark gap acting between the electrodes, a housing, an auxiliary sliding device for the electric arc, which is active on the electrode base, and means for the magnetic blow-out of the electric arc. According to the invention, the mobility of the electric arc is increased directly after the ignition thereof, by means of a combination of measures for reinforcing the inherent magnetic field related to the electric arc, and a phased gas circulation of the encapsulated conducting lead.

Description

Überspannungsabieiter mit zwei divergierenden. Elektroden und einer zwischen den Elektroden wirkenden FunkenstreckeSurge arrester with two divergent ones. Electrodes and acting between the electrodes spark gap
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft einen Überspannungsabieiter mit zwei divergierenden Elektroden und einer zwischen den Elektroden wirkenden Funkenstrecke, einem Gehäuse, einer am Elektrodenfußpunkt wirksamen Gleithilfe für den Lichtbogen sowie Mitteln zur magnetischen Beblasung des Lichtbogens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a surge arrester having two diverging electrodes and a spark gap acting between the electrodes, a housing, a sliding aid for the arc acting on the electrode base, and means for magnetically blowing the arc according to the preamble of patent claim 1.
In Niederspannungsnetzen werden zum Schutz vor Überspannungen zwischen zwei aktiven Leitern in vielen Fällen Überspannungsabieiter auf der Basis von selbstlöschenden Funkenstrecken eingesetzt. Diese Funkenstrecken dienen auch zum Schutz bei direktem Blitzeinschlag und müssen daher über ein hohes Stoßstrom-Ableitvermögen verfügen. Zudem besteht die Forderung nach einer hohen Anlagenverfügbarkeit, d.h. auch bei Überspannung, selbst bei Blitzeinwirkung, soll eine ungestörte Spannungsversorgung über das Netz erfolgen. Dies erfordert von den Überspannungsableitern ein möglichst hohes Folgestrom-Löschvermögen und zudem eine effektive Folgestrombegrenzung, damit das Auslösen der Überstrom-Schutzelemente des Netzes vermieden werden kann. Aufgrund der immer kompakteren Bauweise der Installationsumgebung der Überspannungsschutzableiter wird neben einer installationsgerechten Bauweise von modernen Geräten auch die Vermeidung des Freisetzens von ionisierten Gasen in die Umgebung beim Ansprechen gefordert.In low-voltage networks, overvoltage arresters based on self-extinguishing spark gaps are used in many cases to protect against overvoltages between two active conductors. These spark gaps also serve to protect against direct lightning strike and must therefore have a high surge current discharge capacity. In addition, there is a demand for high system availability, i. Even with overvoltage, even with lightning, an undisturbed power supply should be made via the mains. This requires from the surge arresters the highest possible follow current extinguishing capacity and also an effective follow current limiting, so that the triggering of the overcurrent protection elements of the network can be avoided. Due to the ever more compact design of the installation environment of the surge arrester, in addition to an installation-friendly design of modern devices, the avoidance of the release of ionized gases into the environment when responding is required.
Die Vermeidung der Abgabe von ionisierten Gasen an die Umgebung führt zu einem dramatisch höheren Leistungsumsatz in der Funkenstrecke. Bei ausbla- senden Funkenstrecken werden zum Teil über 90% der umgesetzten Energie in Form von heißem Gas an die Umgebung abgegeben. Die erwünschte Folgestrom-Begrenzung und die damit verbundene hohe Lichtbogenspannung erfordert ebenfalls einen höheren Energieumsatz in der Funkenstrecke. Dieser gegenüber bisherigen Überspannungsableitern deutlich höhere Leistungsum- satz erfordert sowohl aufwendige Konstruktionen als auch leistungsfähigere bzw. abbrandfestere und kostenintensive Materialien. Durch die mit dem Energieeintrag verbundene Alterung aller eingesetzten Teile wird zudem die Realisierung der Hauptaufgaben des Ableiters, nämlich einerseits bei Überspannung eine reproduzierbare Ansprechspannung aufrechtzuerhalten und andererseits bei normalen Netzbedingungen eine hochisolierende Strecke zu bilden, erschwert.Avoiding the delivery of ionized gases to the environment results in dramatically higher power transfer in the spark gap. In the case of discharging spark gaps, in some cases more than 90% of the energy converted is released into the environment in the form of hot gas. The desired follow current limitation and the associated high arc voltage also requires a higher energy conversion in the spark gap. This significantly higher power compared to previous surge arresters requires both complex designs and more powerful ones or erosion-resistant and cost-intensive materials. Due to the aging associated with the energy input of all parts used also the realization of the main tasks of the arrester, namely on the one hand to maintain a reproducible response voltage overvoltage and on the other hand to form a highly insulating route under normal network conditions, difficult.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, daß bei Funkenstrecken mit divergierenden Elektroden der Lichtbogen die Neigung besitzt, aufgrund seines Eigen- magnetfelds von dem Ort seiner Entstehung wegzuwandern. Es ist ebenfalls bekannt, daß durch dieses Wegwandern der sensible Zündbereich, welcher häufig eine Gleitstrecke aus Keramik oder Polymeren oder Ähnlichem besitzt, zumindest über einen gewissen Zeitbereich vor dem Leistungsumsatz, insbesondere durch den Folgestrom, geschützt werden kann. Eine Reduzierung der Belastung bei Impulsströmen ist aufgrund von physikalisch bedingten Verharrzeiten des Lichtbogens von bis zu mehreren lOμs nur schwer möglich. Neben dem Effekt der Reduzierung der Belastung des Zündbereichs wird bei divergierenden Elektroden häufig die Verlängerung des Lichtbogens zur Folgestromlöschung infolge der Erhöhung der Lichtbogenspannung genutzt.It is known from the prior art that in the case of spark gaps with diverging electrodes, the arc has the tendency to migrate away from its place of origin owing to its own magnetic field. It is also known that the sensitive ignition region, which often has a sliding section made of ceramic or polymers or the like, can be protected from the power conversion, in particular by the subsequent current, at least over a certain period of time as a result of this path migration. A reduction of the load in the case of pulse currents is only possible with difficulty due to the physically determined holding times of the arc of up to several 10 μs. In addition to the effect of reducing the stress on the ignition region, divergent electrodes often use the extension of the arc for subsequent current quenching due to the increase in the arc voltage.
Derzeitig bekannte Überspannungsabieiter mit divergierenden Elektroden und hohem Blitzstoßstrom sowie hohem Folgestrom-Löschvermögen sind ausblasend ausgeführt. Durch den Austritt von heißen ionisierten Gasen kann es bei derartigen Ablei- tern zu einer Gefährdung von benachbarten Anlagen kommen. Beispielsweise sei bezüglich des Standes der Technik auf die EP 0 706 245 A2, die DE 44 02 615 Al, die DE 44 39 730 C2 und die US-PS 2,608,599 verwiesen.Currently known Überspannungsabieiter with diverging electrodes and high lightning impulse current and high follow-current extinguishing capacity are designed blowing out. Due to the escape of hot ionized gases, such dischargers can endanger neighboring plants. For example, with regard to the prior art, reference is made to EP 0 706 245 A2, DE 44 02 615 A1, DE 44 39 730 C2 and US Pat. No. 2,608,599.
Um die Gefährdung der Umgebung durch das Ausblasen zu reduzieren, besit- zen weitere bekannte Überspannungsabieiter der Hörnerstrecken-Bauart eine oder mehrere, der Lichtbogenkammer nachgeschaltete Räume, in welchen die Temperatur des Gases vor dem Ausblasen aus dem Ableiter abgekühlt wird. Derartige Lösungen sind beispielsweise in der EP 0 860 918 Al oder der WO 2004/015830 offenbart. Die bekannten Maßnahmen bei diesen Ableitern an- dem jedoch nicht das Prinzip der ausblasenden Gestaltung und sind in der Lage, die bestehende Gefährdung nur zu reduzieren, nicht aber gänzlich zu beseitigen. Insbesondere die Wirkung der Gasdruckwelle kann durch die bekannten Maßnahmen nur bedingt verringert werden.In order to reduce the risk of the environment by blowing out, other known Hörnerstrecken-type surge arresters have one or more chambers connected downstream of the arc chamber, in which the temperature of the gas is cooled before it is blown out of the trap. Such solutions are disclosed, for example, in EP 0 860 918 A1 or WO 2004/015830. The known measures for these arresters However, this is not the principle of Ausblasenden design and are able to reduce the existing hazard only, but not completely eliminate. In particular, the effect of the gas pressure wave can be reduced only conditionally by the known measures.
Stapelfunkenstrecken für den Mittelspannungsbereich, wie sie häufig in einer Reihenschaltung eingesetzt werden, verfügen vereinzelt über Isoliersteg- bzw. auch Löschblechkammern, sind aber nicht für Blitzströme hoher Amplitude und für heute übliche Hutschienenmontage ausgelegt. Derartige Funkenstrecken werden im allgemeinen in einer Reihenschaltung mit Varistoren eingesetzt, welche zu einem großen Anteil die Strombegrenzung übernehmen. Die Bewegung des Lichtbogens wird bei vorbekannten Geräten mit in Reihe geschalteten Blasspulen hoher Induktivität unterstützt. Neben diesen Blasspulen sind die Gehäuse und insbesondere die Elektroden aus Materialien gefertigt, wel- che nennenswerte Blitzströme nicht beherrschen können.Staple trunks for the medium voltage range, as they are often used in a series circuit, occasionally have Isoliersteg- and also splitter chambers, but are not designed for lightning currents of high amplitude and today usual DIN rail mounting. Such spark gaps are generally used in a series circuit with varistors, which take over the current limit to a large extent. The movement of the arc is supported in prior art devices with series-connected high inductance blow coils. In addition to these puffing coils, the housings, and in particular the electrodes, are made of materials which can not control significant lightning currents.
Für eine effektive Folgestrombegrenzung bei Funkenstrecken ist eine Lichtbogenspannung im Bereich der Netzspannung notwendig. Bei bekannten ausblasenden Ableitern im Niederspannungsbereich mit divergierenden Elektroden wird die benötigte Lichtbogenspannung mittels Löschblechanordnungen, der Unterteilung des Lichtbogens in mehrere Teillichtbögen und der Verlängerung des Lichtbogens erreicht. Neben dem Ausblasen der ionisierten Gase besitzen die bekannten blitzstromtragfähigen Funkenstrecken noch weitere Nachteile.For an effective following current limitation with spark gaps an arc voltage in the range of the mains voltage is necessary. In known Ausblasenden arresters in the low voltage range with diverging electrodes, the required arc voltage is achieved by means of quenching plate assemblies, the division of the arc into several partial arcs and the extension of the arc. In addition to the blowing out of the ionized gases, the known lightning current-carrying spark gaps have further disadvantages.
So muß der Lichtbogen bis zum Einlaufen in die Löschblechkammer relativ weite Wege zurücklegen, wodurch die Lichtbogenspannung zu Beginn des Folgestroms niedrig ist und somit der Folgestrom nahezu unbeeinflußt ansteigen kann und die Folgestrombegrenzung in dieser Phase nur geringe Werte erreicht. Der Strom erlangt somit hohe Augenblickswerte, deren Reduzierung wiederum sehr aufwendig ist.Thus, the arc must cover relatively long distances to run into the splitter plate chamber, whereby the arc voltage at the beginning of the follow current is low and thus the follow current can rise almost unaffected and the follow current limit reaches only low values in this phase. The current thus attains high instantaneous values, the reduction of which is again very expensive.
Das Einlaufen in eine hohe Anzahl von Löschblechen und eventuell auch die Aufteilung in Teillichtbögen bewirkt trotz der relativ langen Laufzeit des Lichtbogens bis zum Erreichen der Löschkammer eine nahezu sprungartige Er- höhung der Lichtbogenspannung. Dies führt häufig zum Rückzünden des Folgestrom-Lichtbogens an thermisch stark belasteten Bereichen, z.B. der Zündstelle des Lichtbogens, welcher auch den vorangegangenen Impulsstoßstrom ausgesetzt war bzw. auch an konstruktiv bedingten Umlenkpunkten des Licht- bogenlaufwegs, an welchen es häufig zu längerem Verharren des Lichtbogens kommt.The running into a high number of quenching plates and possibly also the division into partial arcs causes despite the relatively long running time of the arc until reaching the quenching chamber a nearly jump-like Er- increase the arc voltage. This often leads to the back-firing of the follow-current arc at thermally heavily loaded areas, such as the ignition of the arc, which was also exposed to the previous pulse impulse current or at structurally related deflection points of the arc run, which often leads to longer persistence of the arc ,
Diese Rückzündungen führen jedoch zum wiederholten Zusammenbrechen der Lichtbogenspannung und somit zu längeren Lichtbogenzeiten und höheren Durchlaßintegralen.However, these restrikes lead to repeated collapse of the arc voltage and thus to longer arc times and higher Durchlaßintegralen.
Aufgrund der ausblasenden Gestaltung dieser bekannten Ableiter läuft der Lichtbogen trotz mehrfacher Rückzündungen im allgemeinen wieder bis in die Löschkammer ein.Due to the Ausblasenden design of these known arrester arc runs in spite of multiple flashbacks in general again into the quenching chamber.
Das Funktionsprinzip dieser eintretenden Folgestromlöschung entspricht dabei weitestgehend demjenigen von Niederspannungs-Leistungsschaltern. Nieder- spannungs-Leistungsschalter mit vergleichbarer Baugröße und Netzfolgestrom- Löschvermögen weisen derzeit weitestgehend freie Ausblasöffnungen auf. Gegenüber Funkenstrecken besitzen Schalter den Vorteil, daß die Bewegung des Lichtbogens durch das Öffnen und die sofortige Verlängerung des Lichtbogens zur Lichtbogenkammer gefördert wird. Die Beweglichkeit eines kurzen Lichtbogens, wie er aufgrund der geringen Distanzen bei Funkenstrecken entsteht, ist hingegen eingeschränkt. Des Weiteren besitzen Funkenstrecken den Nachteil, daß die Zündung mit einem hohen Impulsstrom beginnen kann und somit schlagartig insbesondere bei einer gekapselten Ausführung eine extrem hohe Druckbelastung entsteht, welche sehr stark den Beginn und die Bewegung des Lichtbogens beeinflußt. Dieser erzeugte Druckaufbau ist jedoch nicht nur schneller, sondern häufig auch deutlich höher als infolge der begrenzenden Netzfolgeströme bei Schalt- geraten.The functional principle of this incoming follow current extinction corresponds largely to that of low-voltage circuit breakers. Low-voltage circuit breakers of comparable size and follow-up current quenching capacity currently have largely free discharge openings. Compared to spark gaps switch have the advantage that the movement of the arc is promoted by the opening and the immediate extension of the arc to the arc chamber. The mobility of a short arc, as it arises due to the short distances at spark gaps, however, is limited. Furthermore, spark gaps have the disadvantage that the ignition can start with a high pulse current and thus abruptly creates an extremely high pressure load, especially in an encapsulated design, which greatly influences the beginning and the movement of the arc. However, this pressure build-up is not only faster, but often also significantly higher than due to the limiting follow-on currents in the case of switching circuits.
Zusammenfassend dominieren derzeit ausblasende Gestaltungsvarianten, um die bei einer Kapselung dieser Geräte entstehenden Nachteile von vornherein zu umgehen. Eine Kapselung führt grundsätzlich zu einer drastischen Redu- zierung des Leistungsvermögens und der Lebensdauer bis hin zum Totalausfall entsprechender Geräte.In summary, currently dominating Ausblasende design variants in order to circumvent the resulting encapsulation of these devices disadvantages from the outset. Encapsulation basically leads to a drastic reduction in the performance and service life up to the total failure of corresponding devices.
Bei der Kapselung eines Ableiters, aber auch eines Leistungsschalters mit divergierenden Elektroden ergeben sich unter anderem folgende Probleme.When encapsulating a surge arrester, but also a circuit breaker with diverging electrodes, the following problems arise among others.
Bei der Zündung des Lichtbogens erhöht sich der Druck in der Funkenstrecke. Dies bewirkt eine Verlängerung der Verharrzeit des Lichtbogens und eine Reduzierung der Geschwindigkeit dieses. Durch den schlagartigen Druckaufbau kommt es in gekapselten Gehäusen zu Reflexionen von Druckwellen. Der Lichtbogen läuft gegen seine eigene Druckwelle und die Dichte des zu verdrängenden Gases nimmt zu. Dies kann dazu führen, daß die Kraft des Eigenmagnetfelds des Lichtbogens nicht mehr zur Bewegung des Lichtbogens entlang der Elektroden ausreicht. Somit erfolgt das Einlaufen des Lichtbogens in die Löschblechkammer sehr spät oder überhaupt nicht, wodurch eine rasche Folgestrombegrenzung nicht mehr sichergestellt werden kann.When the arc is ignited, the pressure in the spark gap increases. This causes an extension of the arc retention time and a reduction in the speed of this. The sudden build-up of pressure in encapsulated housings leads to reflections of pressure waves. The arc runs against its own pressure wave and the density of the gas to be displaced increases. This can cause the force of the arc's intrinsic magnetic field to be insufficient to move the arc along the electrodes. Thus, the entry of the arc takes place in the splitter plate very late or not at all, whereby a rapid follow current limiting can not be guaranteed.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten Überspannungsabieiter mit zwei divergierenden Elektroden und einer zwischen den Elektroden wirkenden Funkenstrecke anzugeben, wobei der zu schaffende Ableiter gekapselt auszuführen ist und neben einer Blitzstrom-Tragfähigkeit ein hohes Folgestrom-Lösch- und -begrenzungsvermögen aufzuweisen hat.From the foregoing, it is therefore an object of the invention to provide a further developed surge arrester with two divergent electrodes and a spark gap acting between the electrodes, wherein the arrester to be created is executed encapsulated and next to a lightning current carrying capacity to have a high follow current extinguishing and limiting capacity Has.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Überspannungsab- leiter gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen beinhalten.The object of the invention is achieved by a surge arrester according to the teaching of claim 1, wherein the dependent claims include at least expedient refinements and developments.
Demnach wird die Beweglichkeit des Lichtbogens unmittelbar nach dessen Zündung durch eine Kombination von Maßnahmen zur Verstärkung des lichtbogenbedingten Eigenmagnetfelds und einer gestaffelten Gaszirkulation des gekapselt ausgeführten Ableiters erhöht. Hierfür wird mindestens eine der Elektroden zur Unterstützung der Lichtbogenbewegung mit einem ferromagnetischen Material hinterlegt. Weiterhin ist innerhalb des Gehäuses, die Elektroden mindestens teilweise umschließend, eine Lichtbogenkammer ausgebildet, wobei die Kammerwände aus ferromag- netischen Material bestehen oder die Kammerwände mit einem ferromagnetischen Material isoliert hinterlegt werden. Durch die vorstehende Maßnahme ist der Zünd- und Laufbereich des Lichtbogens zwischen den Elektroden durch das ferromagnetische Material im Wesentlichen U-förmig umschlossen.Accordingly, the mobility of the arc is increased immediately after its ignition by a combination of measures to increase the arc-related intrinsic magnetic field and a staggered gas circulation of the encapsulated executed arrester. For this purpose, at least one of the electrodes for supporting the arc movement is deposited with a ferromagnetic material. Furthermore, an arc chamber is formed within the housing, the electrodes at least partially enclosing, wherein the chamber walls are made of ferromagnetic material or the chamber walls are deposited isolated with a ferromagnetic material. By the above measure, the firing and running range of the arc between the electrodes is substantially U-shaped by the ferromagnetic material.
Ergänzend wird das Laufverhalten an den divergierenden Elektroden durch eine gezielte und gestaffelte Gaszirkulation in der Funkenstrecke verbessert, welche auch die Druckreflexion reduziert und die Führung des Lichtbogens in einer spaltartigen Kammer unterstützt.In addition, the running behavior at the divergent electrodes is improved by a targeted and staggered gas circulation in the spark gap, which also reduces the pressure reflection and supports the guidance of the arc in a gap-like chamber.
Auch kann das Einlaufen des Lichtbogens in die Strombegrenzungseinrichtung neben den erwähnten Maßnahmen durch die Gestaltung des Lichtbogen-Einlaufbereichs verbessert werden.Also, the shrinkage of the arc in the current limiting device can be improved in addition to the measures mentioned by the design of the arc inlet region.
Konkret besitzen die Elektroden im Laufbereich des Lichtbogens Ausnehmun- gen, durch welche ein Gasstrom zur Unterstützung der Lichtbogenbewegung in das Innere der Lichtbogenkammer gelangt.Specifically, the electrodes have recesses in the running region of the arc, through which a gas flow reaches the interior of the arc chamber in order to assist the arc movement.
Die Lichtbogenkammerwände weisen weitere Ausnehmungen auf, durch welche ein Gasstrom zur Unterstützung der Lichtbogenbewegung in das Innere der Lichtbogenkammer geführt ist.The arc chamber walls have further recesses through which a gas flow is guided to support the arc movement in the interior of the arc chamber.
Ebenfalls zur gezielten Gaszuführung weisen die Elektroden im Fußpunktbereich jeweils eine Bohrung oder dergleichen Öffnung auf. Die Bohrung oder die Öffnung steht mit einer Nut, die innenseitig an den Elektroden vorhanden ist, in Verbindung, wobei über die Bohrung und die Nut der Zündstelle des Lichtbogens Gas zur Entionisierung zuführbar ist. Der Lichtbogenkammer schließt sich erfindungsgemäß eine Deionkammer an, wobei die Deionkammer einen zu den divergierenden Elektroden gerichteten Eintritt und mehrere, seitliche, schlitzförmige Austrittsöffnungen aufweist.Also for targeted gas supply, the electrodes in the base area each have a bore or the like opening. The bore or the opening is in communication with a groove which is present on the inside of the electrodes, wherein gas can be supplied to the deionization via the bore and the groove of the ignition point of the arc. According to the invention, the arc chamber joins a deion chamber, the deion chamber having an inlet facing the diverging electrodes and a plurality of lateral, slot-shaped outlet openings.
Zwischen den seitlichen, schlitzförmigen Austrittsöffnungen der Deionkammer und den Ausnehmungen in der Lichtbogenkammer sowie der Bohrung im Elektrodenfußpunkt sind gasführende Kanäle vorgesehen.Between the lateral, slot-shaped outlet openings of the Deionkammer and the recesses in the arc chamber and the bore in the electrode base gas-carrying channels are provided.
In dem Kanal, welcher zur Bohrung im Elektrodenfußpunkt führt, sind Kühl- kaskaden vorgesehen oder es verläuft dieser Kanal zur Abkühlung des Gases mäanderförmig.Cooling cascades are provided in the channel which leads to the bore in the base of the electrode, or this channel runs meandering in order to cool the gas.
Das Gas, welches zur Bohrung im Elektrodenfußpunkt gelangt, kann mit Umgebungsluft vermischt und dadurch ebenfalls gekühlt werden.The gas which reaches the hole in the base of the electrode can be mixed with ambient air and thereby also cooled.
Zur Gasvermischung ist unterhalb des Elektrodenfußpunkts eine Mischkammer angeordnet, welche eine oder mehrere, auch druckausgleichend zur Umgebung hin wirkende Bohrungen kleinen Querschnitts aufweist.For gas mixing, a mixing chamber is arranged below the base of the electrode, which has one or more bores of small cross-section which also act in a pressure-compensating manner to the environment.
Die Bohrungen im Elektrodenfußpunkt reichen in die Mischkammer hinein oder besitzen eine entsprechende Verbindung zu dieser.The holes in the electrode base reach into the mixing chamber or have a corresponding connection to this.
Im Bereich des Elektrodenfußpunkts kann weiterhin ein Magnet zur Förderung der Bewegung des Lichtbogens angeordnet werden.In the area of the electrode base, a magnet for promoting the movement of the arc can furthermore be arranged.
Die vorerwähnten gasführenden Kanäle sind gegeneinander isoliert und separat geführt, um eine gezielte Strömungsrückführung und Zirkulation zum Zündbereich und zum Laufbereich des Lichtbogens zu gewährleisten.The aforementioned gas-carrying channels are isolated from each other and performed separately to ensure a targeted flow feedback and circulation to the ignition and the running range of the arc.
Zur definierten Einstellung der Gasströmung können die Kanäle bestimmte, vorgegebene Querschnittsflächen aufweisen.For defined setting of the gas flow, the channels may have certain predetermined cross-sectional areas.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zur Unterstützung und Verstärkung des Magnetfelds bei Folgeströmen eine Blasspule vorgesehen sein, welche einen Nebenschluß zu einer der Elektroden bildet, wobei in Lichtbogen-Laufrichtung vor dem Anschlußpunkt der Spule die betreffende Elektrode einen hochohmigen Abschnitt oder eine Isolationsstrecke aufweist.In a further embodiment of the invention, a bluff coil may be provided for assisting and amplifying the magnetic field at subsequent currents be, which forms a shunt to one of the electrodes, wherein in the arc running direction before the connection point of the coil, the relevant electrode has a high-impedance section or an insulation section.
Damit die Verharrzeit des Lichtbogens gering ist und die Lichtbogenfußpunktbildung sowie die Lichtbogenbewegung beschleunigt werden können, wird erfindungsgemäß die Wirkung des Eigenmagnetfelds schon nahe dem Zündbereich des Lichtbogens erhöht.Thus, the retention time of the arc is low and the Lichtbogenfußpunktbildung and the arc motion can be accelerated, the effect of the intrinsic magnetic field is already increased near the ignition of the arc according to the invention.
Dies kann durch eine möglichst weite Stromschleife der stromführenden Kontakte bis zur Zündstelle erfolgen. Durch den Einsatz von zusätzlichen Magnetfeldern durch Blasspulen oder Magnete oder aber auch durch eine Hinterlegung bzw. U-förmige Ummantelung der Elektroden mit Eisen oder anderen ferromagnetischen Stoffen ist eine weitere Verstärkung des gewünschten Effekts möglich.This can be done by the widest possible current loop of the current-carrying contacts to the ignition. Through the use of additional magnetic fields by blowing coils or magnets or even by a deposit or U-shaped sheathing of the electrodes with iron or other ferromagnetic substances further amplification of the desired effect is possible.
Die vorgeschlagene Maßnahme der Hinterlegung der Elektroden mit ferromag- netischem Material zur Unterstützung der Bogenbewegung ist sowohl einfach realisierbar als auch kostengünstig umzusetzen. Diese Materialien können hierbei elektrisch leitfähig mit den divergierenden Elektroden verbunden sein. Zweckmäßig ist jedoch eine isolierte Anordnung. Dies erhöht insbesondere das Magnetfeld am Fußpunkt des Lichtbogens, also unmittelbar an den Elektroden.The proposed measure of the deposit of the electrodes with ferromagnetic material to support the sheet movement is both easy to implement and inexpensive to implement. These materials may be electrically conductively connected to the divergent electrodes. However, it is expedient to have an insulated arrangement. In particular, this increases the magnetic field at the base of the arc, ie directly at the electrodes.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, ferro- magnetische Materialien in die Elektroden aus abbrandfestem Material unmittelbar hinter oder neben der Lichtbogenlauffläche zu integrieren. Wird das ferromagnetische Material direkt neben der bevorzugten Lichtbogenlauffläche integriert, kann das Material zur Vermeidung von negativen Verschleißerscheinungen mit einem Isolator abgedeckt werden. Die Beweglichkeit des Lichtbo- genfußpunkts kann auch durch die Hinterlegung bzw. Integration von Dauermagneten in einer oder in beiden Elektroden ergänzt bzw. erhöht werden.In a further embodiment of the invention, it is proposed to integrate ferromagnetic materials into the electrodes of erosion-resistant material directly behind or next to the arc running surface. If the ferromagnetic material is integrated directly next to the preferred arc running surface, the material can be covered with an insulator to avoid negative signs of wear. The mobility of the arc root can also be supplemented or increased by the deposit or integration of permanent magnets in one or both electrodes.
Untersuchungen haben gezeigt, daß eine noch höhere Lichtbogen-Beweglichkeit dadurch erzielt wird, wenn auch die Lichtbogensäule einem die Bewegung unterstützenden Magnetfeld ausgesetzt wird. Dies ist z.B. durch die vorgeschlagene U-förmige Ummantelung einer der Elektroden und des gesamten Entladungsbereichs zwischen beiden divergierenden Elektroden realisierbar. Die durch den Lichtbogen im ferromagnetischen Material erzeugten Feldlinien schließen sich durch den Lichtbogen zwischen den Elektroden und erzeugen somit eine gezielte Kraftwirkung auf diesen. Hier ist es zweckmäßig, wenn die eine Elektrode ohne U-förmige Ummantelung keine ferromagnetische Hinterlegung bzw. Einlagen besitzt, da sich ansonsten die Feldlinien über diesem Material schließen wodurch die Wirkung auf die Lichtbogensäule reduziert ist. Das U-förmige Umschließen der Elektrode kann die Hinterlegung mit ferro- magnetischem Material ersetzen bzw. ergänzen.Studies have shown that even higher arc mobility is achieved by this, although the arc column one movement supporting magnetic field is exposed. This can be achieved, for example, by the proposed U-shaped jacket of one of the electrodes and of the entire discharge region between the two diverging electrodes. The field lines generated by the arc in the ferromagnetic material close by the arc between the electrodes and thus generate a targeted force on this. Here it is expedient if the one electrode without a U-shaped casing has no ferromagnetic deposit or deposits, since otherwise the field lines close over this material, whereby the effect on the arc column is reduced. The U-shaped enclosing of the electrode can replace or supplement the deposit with ferromagnetic material.
Ebenfalls ausgestaltend kann das ferromagnetische Material aus konstruktiven Gründen auch unterbrochen sein oder aus der Hinterlegung der einen Elektrode und zwei Platten bzw. einer L-Form und einer Platte neben den divergierenden Elektroden gebildet werden.Also ausgestaltend the ferromagnetic material may be interrupted for design reasons, or from the deposit of the one electrode and two plates or an L-shape and a plate next to the diverging electrodes are formed.
Die Verharrzeit des Lichtbogens kann darüber hinaus durch die Wahl des Elektrodenmaterials zweckmäßig beeinflußt werden. So ist es besonders vor- teilhaft, wenn die Elektroden jeweils aus verschiedenen Materialien bzw. aus Legierungen oder Sintermaterialien bestehen.The retention time of the arc can be further influenced by the choice of the electrode material expediently. Thus, it is particularly advantageous if the electrodes each consist of different materials or of alloys or sintered materials.
Weiterhin positiv wirken sich Inhomogenitäten der Oberfläche aus. Diese können auch materialbedingt sein. Mikroskopische oder aber auch makroskopische Strukturen, welche parallel zur Laufrichtung des Lichtbogens liegen, sind be- sonders vorteilhaft. Die durch diese Maßnahmen bewirkte höhere Feldemission fördert eine sprunghafte Bewegung der Lichtbogenfußpunkte, wodurch die Wanderungsgeschwindigkeit erhöht werden kann.Furthermore, inhomogeneities of the surface have a positive effect. These can also be material-related. Microscopic or even macroscopic structures, which are parallel to the direction of the arc, are particularly advantageous. The higher field emission caused by these measures promotes a sudden movement of the arc root points, whereby the migration speed can be increased.
Auch kann die Fußpunktwanderung an den Laufschienen durch Profilgestaltung unterstützt werden, wobei sich insbesondere Kanten in Laufrichtung positiv auswirken. Des Weiteren können die Laufschienen aus in Laufrichtung geschichteten gleichen oder aber auch unterschiedlichen Materialien bestehen, wodurch das zur Laufrichtung seitliche Wandern reduziert wird. Das Laufschienenmaterial kann hoch- und niederschmelzende Komponenten enthalten oder aus diesen zusammengesetzt werden, so daß in Bewegungsrichtung Kanten oder Spitzen entstehen, zu denen die Lichtbogenfußpunkte bevorzugt springen, wodurch die Lichtbogengeschwindigkeit steigt und die Verharrzeiten reduziert werden. Denkbar sind hier Fasermetalle, Schichtmetalle oder ent- sprechende Laminate.Also, the Fußpunktwanderung can be supported on the rails by tread design, in particular, edges in the direction of positive effect. Furthermore, the rails may consist of layered in the same direction or the same different materials, whereby the lateral direction to the running direction is reduced. The rail material may contain high and low melting components or be composed of these, so that edges or peaks arise in the direction of movement, to which the arc root preferably jump, whereby the arc speed increases and the retention times are reduced. Fiber metals, layered metals or corresponding laminates are conceivable here.
Die vorstehend erläuterten Maßnahmen senken die Neigung des Lichtbogens zum Verharren und fördern die Anfangsbewegung desselben. Nach der Startphase soll der Lichtbogen möglichst schnell verlängert und der Löschkammer zugeführt werden. Der kontinuierlichen Bewegung wirken nun aber der erhöhte Druck und die reflektierten Druckwellen in dem gekapselten Ableiter entgegen.The above-described measures reduce the tendency of the arc to persist and promote the initial movement of the same. After the starting phase, the arc should be extended as quickly as possible and fed to the quenching chamber. However, the continuous movement is counteracted by the increased pressure and the reflected pressure waves in the encapsulated trap.
Um eine effektive Strombegrenzung bei gekapselten Funkenstrecken mit divergierenden Elektroden zu erreichen, wird vorgeschlagen, den Lichtbogen innerhalb einer möglichst kurzen Zeitspanne in eine Lichtbogenkammer zu führen, in welcher die Lichtbogenspannung so stark erhöht wird, daß der Momentanwert der Netzspannung erreicht bzw. überschritten wird.In order to achieve an effective current limitation in encapsulated spark gaps with diverging electrodes, it is proposed to guide the arc within an as short time as possible in an arc chamber, in which the arc voltage is increased so much that the instantaneous value of the mains voltage is reached or exceeded.
Als Lichtbogenkammer sind prinzipiell alle aus den Niederspannungs-As an arc chamber, in principle, all of the low-voltage
Leistungsschaltern her bekannten Systeme einsetzbar. Dazu gehören unter anderem Isolierstegkammern, Löschblechkammern, Deionkammern, Mäanderkammern und deren Kombinationen. Die Wirkungsweise dieser Kammern beruht auf der Verlängerung, der Kühlung und zum Teil der Aufteilung des Lichtbogens.Circuit breakers her known systems used. These include, inter alia, Isolierstegkammern, Löschblechkammern, Deionkammern, Mäanderkammern and their combinations. The operation of these chambers is based on the extension, the cooling and in part the division of the arc.
Erfindungsgemäß wird nun neben der Unterstützung des Laufverhaltens des Lichtbogens durch die erläuterten Magnetfelder das Einlaufen in das Hindernis Lichtbogenkammer bzw. Deionkammer erzwungen.According to the invention, in addition to the support of the running behavior of the arc by the explained magnetic fields, it is now forced to enter the obstacle arc chamber or deion chamber.
Grundvoraussetzung für eine effektive Wirkung ist jedoch eine effiziente Gaszirkulation und -abkühlung, welche die Bewegung des Lichtbogens zur und in die Lichtbogenkammer unterstützt. Hierzu werden erfindungsgemäße konstruktive Maßnahmen umgesetzt, welche die Gaszirkulation in mehreren Kreisen mit verschiedenen Funktionen erlaubt.However, the prerequisite for an effective effect is efficient gas circulation and cooling, which supports the movement of the arc to and into the arc chamber. For this purpose, constructive measures according to the invention are implemented, which allows the gas circulation in several circles with different functions.
Sowohl die Gasausströmung aus der Lichtbogenkammer als auch die Gasrück- führung in die Lichtbogenkammer erfolgt über mindestens zwei Kanäle.Both the gas outflow from the arc chamber and the gas recirculation into the arc chamber occur via at least two channels.
Die Rückführung und Abkühlung der heißen Gase wird bevorzugt seitlich neben der Lichtbogenkammer vorgenommen. Die Rückführung der abgekühlten Gase erfolgt zu einem geringen Teil unmittelbar im Zündbereich des Lichtbo- gens zwischen den divergierenden Elektroden und deren Fußpunkt und dient der Deionisation in diesem Bereich.The return and cooling of the hot gases is preferably carried out laterally adjacent to the arc chamber. The recirculation of the cooled gases takes place to a small extent directly in the ignition range of the arc between the diverging electrodes and their base and serves for deionization in this area.
Damit die Gefahr des Wiederzündens durch noch heiße Gase reduziert wird, durchläuft die geringe Gasmenge, welche in diesen Bereich zugeführt wird, einen zusätzlichen Bereich zur intensiven Abkühlung. In diesem Bereich wird das Gas durch enge Kanäle bevorzugt aus Metall mit einer hohen Wärmekapazität geführt. Bei einer massiven Ausführung der Elektroden bzw. auch der ferromagnetischen Hinterlegung dieser Elektroden können diese Kanäle ohne zusätzlichen Platzbedarf in diese integriert werden. Eine für gekapselte Ableiter notwendige Druckausgleichsöffnung kleinen Querschnitts kann so angebracht werden, daß diese in Verbindung zu dem Kanal mit dem intensiv abgekühlten Gas steht.So that the risk of re-ignition is reduced by still hot gases, the small amount of gas that is fed into this area, passes through an additional area for intensive cooling. In this area, the gas is passed through narrow channels, preferably made of metal with a high heat capacity. In a massive design of the electrodes or the ferromagnetic deposit of these electrodes, these channels can be integrated without additional space in them. A necessary for encapsulated trap pressure equalization port of small cross-section can be mounted so that it is in communication with the channel with the intensely cooled gas.
Die Rückführung der wesentlich größeren Gasmenge, welche den Hauptzirku- lationskreis bildet, erfolgt über separate Kanäle seitlich an oder neben den divergierenden Elektroden oberhalb der Zündstelle, aber unterhalb des Einlaufbereichs in die Lichtbogen- bzw. Deionkammer. Diese Zuführung kann über einen oder mehrere Kanäle entlang der Laufschienen vorgenommen werden. Besonders günstig für diese Zuführung ist der Elektrodenbereich, welcher praktisch über dem Hauptbereich der Impulsstrombelastung liegt. Der Lichtbogen gelangt in diesen Bereich somit erst nach der Überwindung der Verharrzeit und einer gewissen Laufstrecke entlang der divergierenden Elektroden. In diesem Anfangsbereich ist die Unterstützung der Lichtbogenbewegung durch das Eigenmagnetfeld, die ferromagnetische Hinterlegung der Elektroden und eventuell gasabgebende Gleithilfen noch ausreichend.The return of the much larger amount of gas, which forms the Hauptkreisu- lationskreis, takes place via separate channels laterally at or adjacent to the divergent electrodes above the ignition point, but below the inlet region in the arc or Deionkammer. This supply can be made via one or more channels along the rails. Particularly favorable for this feed is the electrode area, which lies practically above the main area of the pulsed current load. The arc thus enters this area only after overcoming the retention time and a certain running distance along the divergent electrodes. In this initial area is the support of the arc movement due to the intrinsic magnetic field, the ferromagnetic deposit of the electrodes and possibly gas-emitting sliding aids still sufficient.
Durch die gestaffelte Gasrückführung wird vermieden, daß lang andauernde Impulsströme vorzeitig zu einer beschleunigten Bewegung angeregt bzw. gekühlt werden, wodurch der Leistungsumsatz und die Belastung der Funkenstrecke begrenzt werden kann. Durch die Gaszirkulation wird somit im Wesentlichen nur der Folgestrom-Lichtbogen in seiner Bewegung vor dem Einlaufen in die Löschkammer unterstützt. Durch die Art der Gaszuführung wird nicht nur die Lichtbogensäule erfaßt, sondern auch die für die Bewegung des Lichtbogens mit verantwortlichen Fußpunktbereiche an beiden Elektroden.The staggered gas recirculation avoids that long-lasting pulse currents are prematurely excited or cooled to an accelerated movement, whereby the power consumption and the load of the spark gap can be limited. As a result of the gas circulation, essentially only the follow-current arc is supported in its movement before it enters the quenching chamber. By the nature of the gas supply not only the arc column is detected, but also for the movement of the arc with responsible Fußpunktbereiche on both electrodes.
Um die Wirkung der Gasströmung auf die Lichtbogensäule zu erhöhen, wird der Laufbereich des Lichtbogens bis zur Löschkammer weitgehend spaltartig gestaltet. Hierdurch ist erreichbar, daß auch Lichtbögen mit noch relativ geringer Stromstärke einen Querschnitt im Bereich der Spaltbreite besitzen und somit das Gas nicht neben dem Lichtbogen entlang strömen kann, sondern eine möglichst große Kraftwirkung auf den Lichtbogen ausgeübt wird.In order to increase the effect of the gas flow on the arc column, the running range of the arc to the quenching chamber is designed largely gap-like. This makes it possible to achieve that even arcs with relatively low amperage have a cross section in the region of the gap width and thus the gas can not flow alongside the arc, but the greatest possible force is exerted on the arc.
Durch eine möglichst geringe Spaltbreite wird einerseits das Laufverhalten des Lichtbogens entlang der Elektroden beschleunigt. Andererseits führt die Spaltbildung in diesem Laufbereich nicht zu einer extremen Reduktion des Querschnitts gegenüber dem Bereich der Impulsstromentladung, da ansonsten bereits in diesem unteren Laufbereich starke Druckreflexionen auftreten könn- ten, welche das Laufverhalten negativ beeinflussen.On the one hand, the running behavior of the arc along the electrodes is accelerated by the smallest possible gap width. On the other hand, the gap formation in this running region does not lead to an extreme reduction of the cross section compared to the region of the momentum discharge, since otherwise strong pressure reflections could already occur in this lower running region, which negatively influence the running behavior.
Der Querschnitt des Lichtbogen-Entladungsraums im Zündbereich wird im Wesentlichen durch die angestrebte Höhe des zu beherrschenden Impulses und die Druckfestigkeit der Elektroden und Wandmaterialien bestimmt.The cross section of the arc discharge space in the ignition region is essentially determined by the desired height of the pulse to be controlled and the compressive strength of the electrodes and wall materials.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglichkeit, die Kammerwände elastisch zu lagern. Hierdurch können sich die Kammerwände bei starken Druckbelastungen seitlich bewegen. Durch diese Maßnahme wird gleich- zeitig die Gefahr einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den Elektroden über die seitlichen Kammerwände reduziert.In one embodiment of the invention, it is possible to store the chamber walls elastically. As a result, the chamber walls can move laterally under strong pressure loads. This measure will early reduces the risk of an electrically conductive connection between the electrodes via the lateral chamber walls.
Erfindungsgemäß erfolgt der Gasaustritt aus der Lichtbogenkammer nicht nur oberhalb der Löschkammer, sondern bereits gestaffelt im Verlauf der Löschkammer mit seitlichen Ausführungen. Die Ausführungen sind bei Löschblechbzw. Deionkammern isoliert, so daß das Übergreifen des Lichtbogens verhindert werden kann. Ebenso sind die Enden der Metallplatten der Löschkammer durch Isolationsstrecken vor dem Übergreifen des Lichtbogens geschützt. Die heißen Gase werden nach dem Verlassen der Löschkammer in Kanäle geführt, die bevorzugt beidseitig parallel zu der Lichtbogenkammer verlaufen. In diesen Kanälen wird das Gas abgekühlt und anschließend einem Entspannungsraum zugeführt, aus welchem die Zuführung in die Lichtbogenkammer in der beschriebenen Art und Weise erfolgt.According to the invention, the gas outlet from the arc chamber is not only above the quenching chamber, but already staggered in the course of the quenching chamber with lateral versions. The designs are at Löschblechbzw. Deion chambers isolated, so that the spread of the arc can be prevented. Likewise, the ends of the metal plates of the quenching chamber are protected by insulating distances before the arc spread. The hot gases are passed after leaving the quenching chamber in channels, which preferably extend on both sides parallel to the arc chamber. In these channels, the gas is cooled and then fed to a relaxation space, from which the supply takes place in the arc chamber in the manner described.
Die Oberfläche der vorgesehenen Kanäle und Hohlräume sollte möglichst groß sein und die Wandmaterialien sollten über eine hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit verfügen. Als Innenwände können somit die magnetischen Leitbleche bzw. falls vorhanden, auch die ferromagnetische U-förmige Um- mantelung der Löschkammer dienen, wodurch diese gleichzeitig zwei Funktionen übernimmt.The surface of the intended channels and cavities should be as large as possible and the wall materials should have a high heat capacity and thermal conductivity. As inner walls can thus serve the magnetic baffles or, if present, also the ferromagnetic U-shaped sheathing of the quenching chamber, whereby this takes over two functions simultaneously.
Eine weitere Unterstützung der Wirksamkeit der ferromagnetischen Stoffe kann durch eine komplette U-förmige Umhüllung des gesamten Lichtbogenbe- reichs erfolgen. Diese geschlossene ferromagnetische Umhüllung übt eine anziehende Wirkung auf den Lichtbogen aus. Zur Unterbindung von Wirbelströmen, welche sich hemmend auf die Bewegung des Lichtbogens auswirken, sollte die Umhüllung zweckmäßigerweise laminiert sein. Damit es nicht zum Kurzschluß des Lichtbogens über die Umhüllung kommt, muß diese an der In- nenseite dünnwandig mit lichtbogenbeständigem Material isoliert werden.Further support for the effectiveness of the ferromagnetic materials can be achieved by a complete U-shaped covering of the entire arc region. This closed ferromagnetic cladding exerts an attractive effect on the arc. To prevent eddy currents, which have an inhibiting effect on the movement of the arc, the sheath should be suitably laminated. To prevent the arc from short-circuiting over the sheath, it must be insulated on the inside with thin-walled material that is resistant to arc.
Idealerweise kann diese Isolierung als Isolierspalt, Mäanderkammer oder Isolierstegkammer ausgeführt werden. Diese Ausführungsform gewährleistet je nach Gestaltung eine allmählich bzw. auch eine schlagartige Erhöhung der Lichtbogenspannung beim Einlaufen in den Spaltbereich. Wird das Isolations- material noch aus gasabgebenden Stoffen gestaltet, kann eine zusätzliche Druckerhöhung und damit eine unmittelbare Erhöhung der Lichtbogenspannung bewirkt werden.Ideally, this insulation can be carried out as an insulating gap, meandering chamber or Isolierstegkammer. Depending on the design, this embodiment ensures a gradual or also a sudden increase in the arc voltage when entering the gap region. Is the isolation material still made of gas-emitting substances, an additional pressure increase and thus an immediate increase in the arc voltage can be effected.
Zur Erhöhung des Löschvermögens der Lichtbogenkammer ist eine zusätzliche Einbringung von Deionblechen in die Isolationskammer sinnvoll. Idealerweise sollten diese jedoch über eine unterschiedliche Höhe verfügen, so daß die Anzahl der Teillichtbögen nur allmählich, d.h. zeitversetzt erhöht wird. Alternativ können auch die Einlaufschlitze der Bleche unterschiedlich bzw. asymmetrisch gestaltet werden, um eine allmähliche Aufteilung des Lichtbogens zu erzwingen.To increase the extinguishing capacity of the arc chamber, an additional introduction of Deionblechen in the isolation chamber makes sense. Ideally, however, they should have a different height, so that the number of partial arcs only gradually, i. time-delayed increases. Alternatively, the inlet slots of the sheets can be designed differently or asymmetrically, to force a gradual division of the arc.
Der Einlauf des Lichtbogens in die Löschkammer sollte unmittelbar nach dem Zündbereich des Lichtbogens bzw. nach einer sehr kurzen Beschleunigungs- strecke erzwungen werden, da ansonsten keine effektive Strombegrenzung möglich wird.The inlet of the arc into the quenching chamber should be forced immediately after the ignition area of the arc or after a very short acceleration distance, since otherwise no effective current limitation is possible.
Je kürzer der Einlaufbereich ist, desto höher ist allerdings die Gefahr der Rückzündung im Bereich des Zündbereichs der Funkenstrecke, da die Abkühlung und die Entionisierung des Zündbereichs innerhalb einer kurzen Zeitdauer und nur begrenzt möglich ist. Zur Reduzierung dieser Gefahr ist eine Verlängerung der Beschleunigungsstrecke bzw. eine Umlenkung des Lichtbogens möglich. Die Lichtbogenausbreitung kann dabei um einen bestimmten Winkel gekippt zur Entstehungsrichtung des Lichtbogens erfolgen oder es kann der Lichtbogen z.B. in einer Mäanderkammer auch seitlich zu seinem Entstehungs- ort versetzt werden. Mit diesen Maßnahmen ist eine direkte Strahlwirkung des Lichtbogens auf die Zündstelle vermeidbar.However, the shorter the lead-in area, the higher the risk of re-ignition in the region of the ignition range of the spark gap, since the cooling and the deionization of the ignition range within a short period of time and limited possible. To reduce this risk, an extension of the acceleration section or a deflection of the arc is possible. The arc propagation can be tilted by a certain angle to the direction of the arc or it can be the arc, for example. In a meandering chamber, it can also be moved laterally to its place of origin. With these measures, a direct beam effect of the arc on the ignition is avoidable.
Bezüglich der Magnetfeldverstärkung werden weitere Möglichkeiten vorgeschlagen. Insbesondere können sogenannte Blasspulen erfindungsgemäß an- gewendet werden. Bei Gleichspannung kann ein homogenes, von der Stromstärke unabhängiges Feld auch durch den Einsatz von Dauermagneten realisiert werden. Des weiteren kann die Führung der Anschlüsse bis zur Zündstelle so gestaltet werden, daß eine zusätzliche Kraft den Lichtbogen in die Kammer zieht. Denkbar ist es hier, z.B. einen Anschluß schlaufenförmig um die Löschkammer zu legen.With regard to the magnetic field amplification further possibilities are proposed. In particular, so-called blowing coils can be used according to the invention. At DC, a homogeneous, independent of the current field field can also be realized by the use of permanent magnets. Furthermore, the leadership of the connections to the firing point can be designed so that an additional force the arc in the Chamber pulls. It is conceivable here, for example, to put a connection loop around the quenching chamber.
Beim Einsatz von Blasspulen z.B. mit magnetischem Leitblech muß die Win- dungszahl aufgrund der hohen Blitzstoßströme und der Baugröße recht klein bemessen sein, wodurch ein starkes Magnetfeld nur bei vergleichsweise hohen Strömen entsteht. Da diese hohen Ströme jedoch gerade stark begrenzt werden sollen, ist es vorteilhaft, auch bei vergleichsweise kleinen Strömen schon über ein starkes Magnetfeld zu verfügen.When using blown coils, e.g. With a magnetic baffle, the number of turns must be quite small due to the high lightning impulse currents and the size, which results in a strong magnetic field only at comparatively high currents. However, since these high currents are just to be severely limited, it is advantageous even at relatively low currents already have a strong magnetic field.
Im obigen Sinne wird vorgeschlagen, daß der Stoßstrom, welcher infolge der Zündung der Funkenstrecke fließt, über eine separate Zuleitung ohne Blasspule bzw. über eine separate Blasspulenwicklung mit geringer Windungszahl zur Zündstelle geführt wird und daß der Folgestrom über eine Blasspule mit einer relativ hohen Windungszahl zu führen ist, welche schon bei kleinen Strömen ein starkes Magnetfeld erzeugt. Technisch wird dies durch zwei Stromzuführungen zu mindestens einem Funkenhorn bzw. einer Elektrode realisiert. Die Elektrode wird hierzu an einer Stelle elektrisch leitend unterbrochen oder hochohmig ausgeführt. Nach der Zündung des Lichtbogens und dem Stoßstrom überspringt der Lichtbogen diesen Bereich und der Folgestrom fließt über die Blasspule bzw. den Teil der Blasspule mit höherer Windungszahl.In the above sense, it is proposed that the surge current flowing as a result of the ignition of the spark gap is fed via a separate lead without a bobbin or a separate winding coil winding with low number of turns to ignition point and that the follow current through a blow coil with a relatively high number of turns to lead, which already generates a strong magnetic field at low currents. Technically, this is realized by two power supply to at least one spark plug or an electrode. For this purpose, the electrode is interrupted at one point in an electrically conductive manner or high-resistance. After the arc has been ignited and the surge current, the arc skips over this region and the follow current flows over the blow coil or the portion of the higher number of turns of the blow coil.
Die Elektroden sind im Zündbereich der Stoßströme aus abbrandfestem Mate- rial gefertigt. Die Breite und die Höhe dieser abbrandfesten Flächen an den Elektroden im Zündbereich sollte jeweils 4mm nicht unterschreiten.The electrodes are manufactured in the ignition range of the surge currents from erosion-resistant material. The width and height of these erosion-resistant surfaces on the electrodes in the ignition area should not be less than 4 mm.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment and with the aid of figures.
Hierbei zeigen:Hereby show:
Fig. 1 eine stirnseitige Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Überspannungsabieiters; Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Ableiter;Fig. 1 is an end sectional view of a surge arrester according to the invention; 2 shows a cross-sectional view through an arrester according to the invention;
Fig. 3 eine Ausführungsform eines Ableiters in Stirnseitenansicht, bei wel- eher die Elektroden und der Zündbereich bereits von der Lichtbogen-3 shows an embodiment of an arrester in an end view, in which the electrodes and the ignition region are already covered by the arc
Löschkammer umgeben sind, undEnchamber are surrounded, and
Fig. 4 eine seitliche Ansicht einer Funkenstrecke, bei der zur Verstärkung des Magnetfelds bei Folgestrom eine Blasspule vorgesehen ist.Fig. 4 is a side view of a spark gap, in which a blow coil is provided to amplify the magnetic field at follow-up.
Der Überspannungsabieiter nach Fig. 1 weist ein Außengehäuse auf, welches eine quasi druckdichte Kapselung darstellt.The surge arrester according to FIG. 1 has an outer housing which represents a quasi pressure-tight enclosure.
Im Inneren dieses Gehäuses ist eine Elektrodenanordnung 1 vorhanden, wobei die Elektroden Ia und Ib (siehe Fig. 2) hörnerförmig divergieren.Inside this housing, an electrode assembly 1 is present, wherein the electrodes Ia and Ib (see Fig. 2) diverge horn-shaped.
Die Elektroden 1 besitzen eine durchgängige Bohrung 14 sowie an ihrer Innenseite eine vertikale Ausnehmung 13, die insgesamt einen Kanal bilden, über den Gas 8 zwischen die Elektroden zur Entionisierung der Zündstelle 4 im Innenraum der Funkenstrecke zuführbar ist.The electrodes 1 have a continuous bore 14 and on its inner side a vertical recess 13, which together form a channel, can be supplied via the gas 8 between the electrodes for deionization of the ignition point 4 in the interior of the spark gap.
Anstelle einer durchgängigen Bohrung 14 können auch seitliche bzw. stirnseitige Ausnehmungen an den Elektroden 1 vorgesehen sein.Instead of a continuous bore 14 also lateral or frontal recesses may be provided on the electrodes 1.
Die Elektroden 1 besitzen zusätzlich im Laufbereich des Lichtbogens seitliche Ausnehmungen 2, durch welche der Hauptteil der Gaszirkulation 7 zur Unterstützung der Lichtbogenbewegung dem Innenraum der Funkenstrecke zugeführt wird.The electrodes 1 additionally have in the running region of the arc lateral recesses 2, through which the main part of the gas circulation 7 is supplied to support the arc movement to the interior of the spark gap.
Gleichzeitig oder alternativ kann die Zuführung des Gases in diesem Bereich auch durch seitliche Ausnehmungen 3 oder durch entsprechende Durchbrüche bzw. Löcher in den Lichtbogenkammerwänden 11 erfolgen. Diese Kammerwände können mit ferromagnetischem Material 10 zur Unterstützung der Lichtbogenbewegung hinterlegt sein. Aus dem Innenraum der Funkenstrecke gelangt das Gas durch mehrere gestaffelt angebrachte seitliche Öffnungen sowie nach dem völligen Durchlaufen der oberhalb vorgesehenen Deionkammer 6, die sich quasi als Bestandteil der Lichtbogenkammer darstellt.At the same time or alternatively, the supply of the gas in this area can also take place by means of lateral recesses 3 or through corresponding apertures or holes in the arc chamber walls 11. These chamber walls may be backed with ferromagnetic material 10 to aid in arc motion. From the interior of the spark gap, the gas passes through several staggered mounted side openings and after the complete passage through the above provided Deionkammer 6, which is almost a part of the arc chamber.
Das Gas strömt hierbei in einen, jedoch bevorzugt in mehrere separate Kanäle 12, welche ein- bzw. beidseitig neben der Lichtbogenkammer 11 verlaufen.The gas flows in one, but preferably in a plurality of separate channels 12, which extend on one or both sides next to the arc chamber 11.
Je höher die Anzahl dieser Kanäle, insbesondere im Endbereich der Deionkammer 6 ist, desto geringer ist die Gefahr der Vereinigung von Teillichtbögen außerhalb der Deionkammer 6.The higher the number of these channels, in particular in the end region of the deion chamber 6, the lower the risk of the union of partial light arcs outside the deion chamber 6.
Nach der Aufnahme in die separaten Kanäle wird das Gas in diesen Kanälen abgekühlt und durch die Öffnungen 2, 3 und teilweise 14 dem Innenraum der Funkenstrecke wieder zugeführt.After admission to the separate channels, the gas is cooled in these channels and fed through the openings 2, 3 and partially 14 the interior of the spark gap.
Die Abkühlung kann hierbei sowohl an vorhandene Isolationsmaterialien als auch an den Metallbestandteilen erfolgen.The cooling can be done here both on existing insulation materials and on the metal components.
Das Gas 8, welches der Entionisierung des Zündbereichs dient, wird durch die Führung in dem Kanal innerhalb der Elektroden weiter abgekühlt. Eine zusätzliche Abkühlung kann durch eine mäanderförmige Führung 5 des Gases entlang von Kühlwänden realisiert werden.The gas 8, which serves to deionize the ignition region, is further cooled by the guide in the channel within the electrodes. An additional cooling can be realized by a meandering guide 5 of the gas along cooling walls.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, das Gas 8 zusätzlich mit Luft aus der Umgebung zu vermischen, welche durch die Druckausgleichsöffnung 9 in die Funkenstrecke gelangt. Hierfür ist quasi im unteren Bereich des Ableiters eine Mischkammer vorhanden. Diese Öffnung mit minimalem Querschnitt ist darüber hinaus notwendig, um einen lang andauernden bzw. kumulativen Druckaufbau im Inneren der Funkenstrecke zu verhindern.Furthermore, it is possible to additionally mix the gas 8 with air from the environment, which passes through the pressure equalization opening 9 in the spark gap. For this purpose, a mixing chamber is virtually present in the lower region of the arrester. This opening with minimal cross-section is also necessary to prevent a long-lasting or cumulative pressure build-up inside the spark gap.
Die seitliche Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2 zeigt noch einmal die Hauptelektroden Ia und Ib, wobei eine der Hauptelektroden (Ib) zur Unterstützung der Lichtbogenbewegung mit einem ferromagnetischen Material 10 hinterlegt ist. Zusammen mit dem ferromagnetischen Material in bzw. an den Lichtbogenkammerwänden 10 (siehe Fig. 1) wird der Zünd- und der Laufbereich des Lichtbogens zwischen den beiden Hauptelektroden Ia und Ib U-förmig umschlossen.The side view of an embodiment of the invention according to Fig. 2 again shows the main electrodes Ia and Ib, wherein one of the main electrodes (Ib) to support the arc movement with a ferromagnetic Material 10 is deposited. Together with the ferromagnetic material in or on the arc chamber walls 10 (see Fig. 1), the ignition and the running range of the arc between the two main electrodes Ia and Ib is enclosed in a U-shape.
Ausgestaltend kann ein Magnet 15 im Bereich der Zündstelle angebracht werden, wodurch die Fußpunktbewegung des Lichtbogens gefördert wird.Ausgestaltend a magnet 15 can be mounted in the ignition area, whereby the Fußpunktbewegung the arc is promoted.
Der Gasaustritt aus der Lichtbogen-Löschkammer 6 (Deionkammer) erfolgt sowohl durch die seitlichen Öffnungen 17 der Kammer als auch an der Oberseite der Kammer.The gas outlet from the arc quenching chamber 6 (Deionkammer) takes place both through the side openings 17 of the chamber and at the top of the chamber.
Das entweichende Gas an den Seiten, aber auch das an der Oberseite kann in separaten, gegeneinander isolierten Kanälen geführt werden. Die Rückführung des Gases zum Schließen der Zirkulation erfolgt sowohl im Zündbereich durch die Elektroden als auch im Laufbereich des Lichtbogens über die Öffnungen 2.The escaping gas on the sides, but also on the top can be performed in separate, mutually insulated channels. The return of the gas to close the circulation takes place both in the ignition region through the electrodes and in the running region of the arc via the openings. 2
Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Stirnseite eines Überspannungsabieiters gemäß der Erfindung, bei welchem die Hauptelektroden 1 und der Zündbereich be- reits von der Lichtbogen-Löschkammer (Deionkammer) 6 umgeben werden.3 shows a view of the end face of a surge arrester according to the invention, in which the main electrodes 1 and the ignition region are already surrounded by the arc quenching chamber (deion chamber) 6.
Durch diese Maßnahme kann die Zeit bis zum Einlaufen des Lichtbogens in die Kammer reduziert werden und das ferromagnetische Material der Deionkammer beschleunigt bereits bei der Zündung die Bewegung des Lichtbogens.By this measure, the time can be reduced until the arc enters the chamber and the ferromagnetic material of the Deion chamber accelerates the ignition of the movement of the arc.
Zusätzlich zeigt die Darstellung nach Fig. 3 die Möglichkeit, die gesamte Lichtbogenkammer 6 mit einer U-förmigen ferromagnetischen Umhüllung 18 zu umgeben. Diese als auch die Durchführungen zur Gaszirkulation sind zweckmäßigerweise isoliert zur Lichtbogenkammer 6 angeordnet.In addition, the illustration of FIG. 3 shows the possibility of surrounding the entire arc chamber 6 with a U-shaped ferromagnetic enclosure 18. These as well as the passages for gas circulation are suitably arranged in isolation to the arc chamber 6.
Gemäß der Darstellung nach Fig. 4 wird zur Verstärkung des Magnetfelds bei Folgestrom eine Blasspule 19 eingesetzt. Diese Spule bildet einen Nebenschluß zu einer der Hauptelektroden 1. Der Lichtbogen wird bei Impulsbelastung an der Zündstelle 4 zwischen den Hauptelektroden 1 gezündet. Der Impulsstrom fließt hierbei direkt über die Hauptelektrode 1 und nicht über die Spule 19. Aufgrund der kurzen Zeitdauer der Impulsentladung verbleibt der Lichtbogen im Bereich 20 zwischen den Hauptelektroden. Bei lang andauernden Impulsen bzw. bei Folgestrom erreicht der Lichtbogen auch den mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichneten Bereich zwischen den Elektroden. Der Fußpunkt des Lichtbogens erreicht die Position 22 an der Elektrode mit angeschlossener Blasspule 19. An dieser Stelle ist die Elektrode hochohmig bzw. isolierend unterbrochen. Nach dem Überspringen dieser Stelle fließt der Strom über die Blasspule 19, wodurch eine Unterstützung der Lichtbogenbewegung bewirkt wird.According to the illustration according to FIG. 4, a bluff coil 19 is used to amplify the magnetic field at the follower current. This coil forms a shunt to one of the main electrodes 1. The arc is ignited at impulse load at the ignition point 4 between the main electrodes 1. In this case, the pulse current flows directly via the main electrode 1 and not via the coil 19. Due to the short duration of the pulse discharge, the arc remains in the region 20 between the main electrodes. In the case of long-lasting pulses or in the event of a subsequent current, the arc also reaches the region between the electrodes, which is identified by the reference numeral 30. The base of the arc reaches the position 22 on the electrode with connected blow coil 19. At this point, the electrode is high impedance or isolated interrupted. After skipping this point, the current flows through the blow coil 19, thereby causing the arc movement to be assisted.
Die Blasspule 19 kann hierbei zusätzlich über sogenannte Leitbleche verfügen, welche wiederum U-förmig den Laufbereich des Lichtbogens umfassen.The bluff coil 19 may additionally have so-called guide plates, which in turn comprise the running region of the arc in a U-shape.
Bei der Darstellung nach Fig. 4 sind die Öffnungen 21 zur Entionisierung der Zündstelle 4 als Nuten quer und nicht als durchgängige Bohrung in den Elektroden ausgeführt. Die Öffnungen der Gaszirkulation zur Unterstützung des Laufverhaltens des Lichtbogens 2 können oberhalb, aber auch teilweise unterhalb der Unterbrechungsstelle 22 angebracht sein.In the illustration according to FIG. 4, the openings 21 for deionization of the ignition point 4 are designed as grooves transversely and not as a continuous bore in the electrodes. The openings of the gas circulation to support the running behavior of the arc 2 may be mounted above, but also partially below the point of interruption 22.
Zusammenfassend ermöglicht es die vorgestellte Lösung, einen gekapselten Überspannungsabieiter auf der Basis einer Funkenstrecke mit divergierenden Elektroden anzugeben, wobei eine spezielle Gaszirkulation derart erfolgt, daß das heiße Gas gestaffelt und in getrennten Kanälen aus der Strombegren- zungseinrichtung abgeführt und abgekühlt wird, sowie wiederum an mindestens in Lichtbogen-Laufrichtung versetzten und getrennten Öffnungen über die Kanäle der Lichtbogenkammer Kaltgas zugeführt wird. Im Zündbereich ist weiterhin Kaltgas durch eine Druckausgleichsöffnung von außen zuführbar. Das U-förmig angeordnete ferromagnetische Material bewirkt eine Eigenmagnetfeld-Verstärkung um mindestens eine Elektrode, wobei auch die Lichtbogenkammer mit ferromagnetischem Material umgeben sein kann. In summary, the proposed solution makes it possible to specify an encapsulated surge arrester based on a spark gap with divergent electrodes, wherein a special gas circulation takes place in such a way that the hot gas is staggered and removed from the current-limiting device in separate channels and cooled, and again at least in the arc running direction offset and separate openings through the channels of the arc chamber cold gas is supplied. In the ignition range, cold gas can still be supplied from outside through a pressure equalization opening. The U-shaped ferromagnetic material causes a self-magnetic field gain around at least one electrode, wherein the arc chamber can be surrounded with ferromagnetic material.

Claims

Patentansprüche claims
1. Überspannungsabieiter mit zwei divergierenden Elektroden und einer zwischen den Elektroden wirkenden Funkenstrecke, einem Gehäuse sowie gege- benenfalls einer am Elektrodenfußpunkt wirksamen Gleithilfe für den Lichtbogen und Mitteln zur magnetischen Beblasung des Lichtbogens, dadurch gekennzeichnet, daß die Beweglichkeit des Lichtbogens unmittelbar nach dessen Zündung durch eine Kombination von Maßnahmen zur Verstärkung des lichtbogenbedingten Eigenmagnetfelds und einer gestaffelten Gaszirkulation des gekapselt ausgeführten Ableiters erhöht wird.1. Surge arrester with two diverging electrodes and a spark gap acting between the electrodes, a housing and optionally an effective at the electrode base point sliding aid for the arc and means for magnetic blowing of the arc, characterized in that the mobility of the arc immediately after its ignition by a combination of measures to increase the arc intrinsic magnetic field and a staggered gas circulation of the encapsulated arrester is increased.
2. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden zur Unterstützung der Lichtbogenbewegung mit einem ferromagnetischen Material hinterlegt ist sowie innerhalb des Gehäuses, die Elektroden mindestens teilweise umschließend, eine Lichtbogenkammer ausgebildet ist und die Kammerwände aus ferromagnetischem Material bestehen oder mit einem solchen Material hinterlegt sind, so daß der Zünd- und Laufbereich des Lichtbogens zwischen den Elektroden durch das ferromagnetische Material im Wesentlichen U-förmig umschlossen ist.2. surge arrester according to claim 1, characterized in that at least one of the electrodes for supporting the arc movement is deposited with a ferromagnetic material and within the housing, the electrodes at least partially enclosing, an arc chamber is formed and the chamber walls made of ferromagnetic material or with a deposited such material, so that the ignition and running range of the arc between the electrodes is surrounded by the ferromagnetic material is substantially U-shaped.
3. Überspannungsabieiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden im Laufbereich des Lichtbogens Ausnehmungen aufweisen, durch welche ein Gasstrom zur Unterstützung der Lichtbogenbewegung in das Innere der Lichtbogenkammer gelangt.3. surge arrester according to claim 2, characterized in that the electrodes in the running region of the arc have recesses through which passes a gas flow to support the arc movement in the interior of the arc chamber.
4. Überspannungsabieiter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenkammerwände weitere Ausnehmungen aufweisen, durch welche ein Gasstrom zur Unterstützung der Lichtbogenbewegung in das Innere der Lichtbogenkammer gelangt. 4. surge arrester according to claim 2 or 3, characterized in that the arc chamber walls have further recesses through which passes a gas flow to support the arc movement in the interior of the arc chamber.
5. Überspannungsabieiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden im Fußpunkt jeweils eine Bohrung und eine mit dieser innenseitig in Verbindung stehende Nut oder Aussparung aufweisen, wobei über die Bohrung und die Nut der Zündstelle des Lichtbogens Gas zur Entionisierung zuführbar ist.5. surge arrester according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes in the base each have a bore and an internally connected thereto groove or recess, wherein via the bore and the groove of the ignition of the arc gas for deionization can be supplied.
6. Überspannungsabieiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Lichtbogenkammer eine Löschkammer, insbesondere eine Deionkam- mer anschließt, wobei die Deionkammer einen zu den divergierenden Elektroden gerichteten Eintritt und mehrere, auch seitliche und schlitzförmige Austrittsöffnungen aufweist.6. surge arrester according to one of the preceding claims, characterized in that the arc chamber is followed by a quenching chamber, in particular a Deionkam- mer, wherein the Deionkammer has a directed to the diverging electrodes inlet and a plurality, also lateral and slot-shaped outlet openings.
7. Überspannungsabieiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwischen den seitlichen, schlitzförmigen Austrittsöffnungen der Deionkammer und den Ausnehmungen in der Lichtbogenkammer sowie der Bohrung im Elektrodenfußpunkt gasführende und gasleitende, vollständig raumteilende Kanäle vorgesehen sind.7. surge arrester according to claim 6, characterized in that at least between the lateral, slot-shaped outlet openings of the Deionkammer and the recesses in the arc chamber and the bore in the Elektrodenfußpunkt gas-conducting and gas-conducting, completely space-dividing channels are provided.
8. Überspannungsabieiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Kanal, welcher zur Bohrung im Elektrodenfußpunkt führt, Kühlkaskaden vorgesehen sind oder der Kanal mäanderförmig verläuft.8. surge arrester according to claim 7, characterized in that in the channel, which leads to the bore in the electrode base, cooling cascades are provided or the channel is meandering.
9. Überspannungsabieiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas, welches zur Bohrung im Elektrodenfußpunkt gelangt, mit Umgebungsluft vermischt wird.9. surge arrester according to claim 8, characterized in that the gas which passes to the bore in the electrode base, is mixed with ambient air.
10. Überspannungsabieiter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gasvermischung unterhalb des Elektrodenfußpunkts eine Mischkammer angeordnet ist, welche eine oder mehrere druckausgleichende Bohrungen kleinen Querschnitts aufweist.10. surge arrester according to claim 9, characterized in that for gas mixing below the electrode base point, a mixing chamber is arranged, which has one or more pressure-compensating bores of small cross-section.
11. Überspannungsabieiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung im Elektrodenfußpunkt in die Mischkammer hineinreicht oder eine Verbindung zu dieser besitzt.11. surge arrester according to claim 10, characterized in that the bore in the base electrode extends into the mixing chamber or has a connection to this.
12. Überspannungsabieiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Elektrodenfußpunkts ein Magnet zur Förderung der Bewegung des Lichtbogens angeordnet ist.12. surge arrester according to one of the preceding claims, characterized in that a magnet for promoting the movement of the arc is arranged in the region of the electrode base point.
13. Überspannungsabieiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle gegeneinander isoliert und separat geführt sind, um eine gezielte13. surge arrester according to claim 7, characterized in that the channels are isolated from each other and performed separately to a targeted
Strömungsrückführung zum Zündbereich und zum Laufbereich des Lichtbogens zu gewährleisten.Flow return to the ignition area and the running range of the arc to ensure.
14. Überspannungsabieiter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle definierte, vorgegebene Querschnittsflächen aufweisen.14. surge arrester according to claim 13, characterized in that the channels have defined, predetermined cross-sectional areas.
15. Überspannungsabieiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material isoliert zur Lichtbogenkammer angeordnet ist.15. surge arrester according to claim 2, characterized in that the ferromagnetic material is arranged isolated to the arc chamber.
16. Überspannungsabieiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung des Magnetfelds bei Folgeströmen eine Blasspule vorgesehen ist, welche einen Nebenschluß zu einer der Elektroden bildet, wobei in Lichtbogen-Laufrichtung vor dem Anschlußpunkt der Spule die betreffende Elektrode einen hochohmigen Abschnitt oder eine Isolationsstrecke aufweist. 16. surge arrester according to one of the preceding claims, characterized in that for amplifying the magnetic field at follow currents a blow coil is provided, which forms a shunt to one of the electrodes, wherein in arc running direction before the connection point of the coil, the electrode concerned a high-impedance section or has an isolation path.
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