WO2009007151A1 - Verfahren und anordnung zur gleichmässigen impulsstromaufteilung bei parallel geschalteten, spannungsschaltenden überspannungsableitern - Google Patents

Verfahren und anordnung zur gleichmässigen impulsstromaufteilung bei parallel geschalteten, spannungsschaltenden überspannungsableitern Download PDF

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WO2009007151A1
WO2009007151A1 PCT/EP2008/055473 EP2008055473W WO2009007151A1 WO 2009007151 A1 WO2009007151 A1 WO 2009007151A1 EP 2008055473 W EP2008055473 W EP 2008055473W WO 2009007151 A1 WO2009007151 A1 WO 2009007151A1
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ignition
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parallel
arrester
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Arnd Ehrhardt
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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
    • H01T4/12—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel hermetically sealed

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for uniform pulse current distribution in parallel, voltage-switching surge arresters, such as gas discharge arresters, spark gaps with ignition aids or the like, for the purpose of increasing the lightning current carrying capacity according to the preamble of patent claims 1 and 7 respectively.
  • inductors are connected in series with the parallel surge arresters. set to cause ignition of the arrester according to the parallel connection.
  • WO 2005/074083 A1 discloses a parallel connection of spark gaps, in which a current distribution is to be effected by common triggers of corresponding trigger electrodes.
  • a disadvantage here is that both a common trigger circuit must be necessary and, in addition, a connection from the trigger circuit to both spark gaps can be realized. A subsequent parallel connection of arresters is not possible.
  • the surge arresters have an ignition delay time with a time-limited residual voltage, ie. H. the voltage at current flow, which is higher by a defined amount than the static response of the surge arrester or a portion of the arrester or a starting aid, preferably at all surge loads, but at least at currents with the slope of the rated surge current load.
  • the delay time, d. H. the duration of the increased residual voltage up to the ignition of the main separation gap or main spark gap at rated surge load should be in the range of 100 ns to 200 ns, with lower loads and delay times up to several microseconds without limiting the desired function are possible.
  • the proposed measure has the effect that, after the response of the first or the first surge arrester, the voltage in the parallel circuit increases until all further surge arresters have also responded. This applies preferably to all surge current loads, but at least for currents with the slope of the rated surge current load.
  • the surge absorbers used in the parallel circuit have a delay time to ignition between the main electrodes and the main separation line, wherein within the delay time a voltage is built up at momentum current which is at least between 10% and 20% higher than the static response voltage of the surge arrester used or an existing starting aid.
  • the ignition delay of the line between the main electrodes is generated by at least one integrated in the respective arrester impedance or an integrated resistor.
  • the integrated impedance After ignition of the main line of the spark gap, the integrated impedance is no longer considered part of the circuit, d. H. there are no repercussions in the sense of a voltage drop on the circuit. This is a significant difference to external impedances, but also to impedance-affected terminals of the spark gap within a trap housing, z. B. when connecting via steel or graphite elements instead of copper cables.
  • the elements used for ignition delay have in particular a non-linear current-voltage behavior.
  • the delay time and the voltage build-up for safe ignition of all arresters of the parallel circuit is realized by an integrated impedance-dependent auxiliary electrode, which forms a first separation distance Ll between the main electrodes, which is smaller than the second separation distance L2 between the main electrodes, so that at Current flow along the auxiliary electrode via the first separation distance Ll a voltage drop is formed, which increases linearly or nonlinearly with increasing current flow.
  • the arrangement for carrying out the method according to the invention for the uniform impulse current distribution in parallel-connected, voltage-switching surge arresters is designed such that the arresters connected in parallel each have at least one main separation path L2 between the main electrodes, an integrity difference between the main electrodes.
  • danzbehaftete auxiliary electrode is arranged in a different geometric configuration, so that an auxiliary separation distance Ll is formed, whose length is smaller than that of the main separation section L2, in order to achieve a response in the event of overvoltage first via the auxiliary electrode and the auxiliary isolating distance Ll the current flow through or along the auxiliary electrode results in a voltage drop, which enables the response of the parallel-connected arrester within the delayed ignition of the main separation section L2.
  • the required voltage drop for the ignition of the parallel arresters is generated by an ignition delay of the main separation path which is integrated in the arrester. This can be done on the one hand by the geometric design of the ignition and the discharge space and on the other hand by the specified properties of the materials in the first ignition, ie based on the auxiliary electrode.
  • the ignition delay fulfills several tasks.
  • the duration of the pending voltage drop is to be selected even greater than the usual ignition times of voltage-switching surge arresters in the event of a voltage drop in the amount of the desired protection level.
  • the Zündverzugs committee the main line are preferably in the range> 100 ns lying to ensure a safe ignition of the parallel arrester.
  • the height of the voltage drop can be reduced to a minimum value, since the parallel arrester can respond according to their static characteristic.
  • FIG. 1 shows an exemplary U / I behavior of surge arresters over a period of time t;
  • FIG. 1 shows an exemplary U / I behavior of surge arresters over a period of time t;
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a possible design variant of a spark gap developed according to the invention.
  • FIG. 3 shows another embodiment of a surge arrester in FIG.
  • the curve shows the increase in the overvoltage, with the dashed curves 2 and 3 representing the surge characteristic of the arrester.
  • the first arrester Upon reaching the surge characteristic of the first arrester at point 4, the first arrester responds and the pulse current begins to flow over the section of this first arrester.
  • the voltage drop over the entire arrangement is limited to a value below the protection level U p , it remains due to the delayed ignition of the main separation distance of the corresponding spark gap at a high level.
  • one of the two spark gaps ignites at time t3 and the voltage is reduced to the arc voltage of the main line of the corresponding arrester. Due to the charge introduced, the associated ionization of the second arrester and the limited commutation time of the current, the second arrester also ignites. With identical arresters results due to the similar arc voltage at surge load in accordance with the principles of the invention, an almost equal Stromaufteil ung.
  • High arc voltages in the range> 100 V have a particularly favorable effect on the current distribution. These arc voltages enable ideal current splitting even with pulses with long back half-lives.
  • Figs. 2 and 3 show possible embodiments of the invention further developed surge arrester.
  • the opposed main electrodes 1 and 2 are provided with a main separating line L2 therebetween.
  • the auxiliary electrode 3 can be electrically connected to one of the main electrodes 1 or 2 be connected or even isolated from two main electrodes by a separation path.
  • the auxiliary electrode 3 is electrically conductively connected to the main electrode 2 and separated from the opposed main electrode 1 by a separation gap L1.
  • the auxiliary separation distance Ll is smaller or shorter than the separation distance L2 and ensures the response of the arrester between the main electrode 1 and the auxiliary electrode 3 due to the distance and / or the material selection in all steepnesses.
  • the arrester thus responds via the main electrode 2, the auxiliary electrode 3 and the main electrode 1.
  • the material of the auxiliary electrode is impedance-affected, so that a current flow through or along the material results in a voltage drop which increases linearly or non-linearly as the current flow or current change increases.
  • the current across the auxiliary electrode 3 can reach instantaneous values of up to several kA.
  • the time to ignition of the main separation path L2 depends on the ionization between the main separation path L2 and the magnitude of the voltage drop across the entire arrester, in addition to the typical derivation factors such as distance, material, pressure, electric field strength and so on.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a surge arrester, in which the ionization of the main discharge path L2 is made more difficult by the arrangement of the first discharge path L1, whereby the time delay until the ignition of the main path L2 can be increased independently of the characteristics of the auxiliary electrode 3.
  • the first main electrode 1 is provided with a mushroom-shaped or nail-shaped head, which is opposite to the main electrode 2.
  • finger-like projections of the auxiliary electrode 3 are provided, as it were, behind the actual head, which have a distance from the main electrode 1 which forms the auxiliary separating path L1.
  • the length of the auxiliary disconnect Ll is smaller than the distance between the main electrodes 1 and 2, which forms the main separating line L2.
  • an impedance can also be applied outside the arrester and the potential can be supplied via a conducting auxiliary electrode.
  • the invention enables a parallel connection of gas discharge arresters, spark gaps and surge arresters with ignition aid to increase the lightning current carrying capacity, with a safe division of the lightning surge current is carried on the arrester, so that an overload of individual ner arrester within the parallel circuit can be excluded.
  • the parallel connection can be realized at any time, even subsequently and without additional series elements with the desired, optimal current distribution at surge loads.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gleichmäßigen Impulsstromaufteilung bei parallel geschalteten, spannungsschaltenden Überspannungsableitern, wie Gasentladungsableitern, Funkenstrecken mit Zündhilfen oder dergleichen, zum Zweck der Erhöhung der Blitzstoßstrom-Tragfähigkeit. Erfindungsgemäß weisen die in der Parallelschaltung eingesetzten Überspannungsableiter eine Verzugszeit bis zur Zündung zwischen den Hauptelektroden auf, wobei innerhalb der Verzugszeit eine Spannung bei Impulsstromfluss aufgebaut wird, welche mindestens zwischen 10% und 20% höher als die statische Ansprechspannung der eingesetzten Überspannungsableiter oder einer vorhandenen Zündhilfe ist, derart, dass nach dem Ansprechen des ersten Überspannungsableiters alle weiteren Ableiter der Parallelschaltung durch Erreichen der jeweiligen Ansprechspannung aktiviert werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur gleichmäßigen Impulsstromaufteilung.

Description

Verfahren und Anordnung zur gleichmäßigen Impulsstromaufteilung bei parallel geschalteten, spannungsschaltenden Überspannungsableitern
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur gleichmäßigen Impulsstromaufteilung bei parallel geschalteten, spannungsschaltenden Überspannungsableitern, wie Gasentladungsableitern, Funkenstrecken mit Zündhilfen oder dergleichen, zum Zweck der Erhöhung der Blitzstoßstrom-Tragfähigkeit gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 7.
Es ist bekannt, zur Erhöhung der Stoßstromtragfähigkeit von Überspannungsableitern diese in Parallelschaltung zu betreiben.
Die Parallelschaltung von spannungsschaltenden Überspannungsableitern, wie z. B. Gasentladungsableitern oder Funkenstrecken, ist jedoch sehr problematisch. Die statischen und die dynamischen Ansprechwerte von an sich baugleichen spannungsschaltenden Überspannungsableitern schwanken im Bereich zwischen 10% und 20%. Werden derartige Geräte parallel geschaltet, sprechen im Allgemeinen nur diejenigen mit der quasi zufällig niedrigsten Ansprechspannung an, wodurch keine exakte Aufteilung des Impulsstroms erreicht wird, was letztendlich zur Überlastung des angesprochenen Ableiters führt. Verwiesen sei hier auf die WO 06/008000 Al .
Zum möglichst gleichzeitigen Zünden mehrerer paralleler Ableiter sind daher weitere Maßnahmen notwendig .
So wird in der CH 592973 eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, bei welcher in Reihe zu parallelen Ableitern jeweils ein linearer oder ein nichtlinearer Widerstand geschaltet ist. Nach dem Ansprechen des Ableiters mit der niedrigsten Ansprechspannung wird bei hohen Strömen über dem jeweiligen Reihenwiderstand des angesprochenen Ableiters so viel Spannung aufgebaut, dass der nächste Ableiter zündet.
Nach der Lehre der DE 698 14 257 T2 werden anstelle von Widerständen jeweils Induktivitäten in Reihe zu den parallelen Überspannungsableitern ein- gesetzt, um ein Zünden der Ableiter gemäß der Parallelschaltung zu bewirken.
Aus der DE 39 05 799 Al ist die Reihenschaltung eines komplexen Widerstands jeweils zu parallelen Funkenstrecken vorbekannt. Dieses dort vorgeschlagene Prinzip entspricht im Wesentlichen demjenigen aus der CH 592973.
Nachteilig bei den oben geschilderten Lösungen ist es, dass ein zusätzl iches externes Element in Reihe geschaltet werden muss, welches auf den Ableiter und die Schaltungsvariante abzustimmen ist. Neben diesem Mehraufwand und einem zusätzlichen Platzbedarf müssen diese externen Elemente selbst in der Lage sein, die Strombelastungen ohne Überlastung zu führen. Dies führt insbesondere bei hohen Belastungen pro Parallelpfad zu sehr großen, bauraumaufwendigen Reihenelementen.
Weiterhin ist nachteilig, dass der Schutzpegel und die Restspannung während des gesamten Ableitvorgangs auch durch diese Elemente beeinflusst wird und keine unabhängige Auslegung der Gesamtanordnung möglich wird . Letztendlich ist die Kombination zu nachfolgenden Überspannungsableitern im Rahmen des Prinzips des koordinierten Überspannungsschutzes erschwert.
Aus der WO 2005/074083 Al ist eine Parallelschaltung von Funkenstrecken bekannt, bei welcher eine Stromverteilung durch ein gemeinsames Triggern entsprechender Triggerelektroden erfolgen soll .
Hierbei ist nachteilig, dass sowohl eine gemeinsame Triggerschaltung notwendig sein muss und zudem eine Verbindung von der Triggerschaltung zu beiden Funkenstrecken zu realisieren ist. Eine nachträgliche Parallelschaltung von Ableitern ist nicht möglich.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren und eine Anordnung zur gleichmäßigen Impulsstromaufteil ung bei parallel geschalteten, spannungsschaltenden Überspannungsableitern, wie Gasentladungsableitern, Funkenstrecken mit Zündhilfen oder dergleichen, anzugeben, das bzw. die es gestattet, eine Parallelschaltung jederzeit u nd ohne zusätzliche Reihenelemente mit einer optimalen Stromverteilung bei Stoßstrombelastungen zu erreichen. Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt verfahrensseitig durch die Lehre nach Patentanspruch 1 sowie mit einer Anordnung gemäß der Lehre nach Patentanspruch 7, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Zur sicheren Aufteilung des Blitzstoßstroms ist vorgeschlagen, dass die Über- spannungsableiter eine Zünd-Verzugszeit mit zeitlich begrenzter Restspannung, d . h. der Spannung bei Stromfluss, besitzen, welche um einen definierten Betrag höher ist als die statische Ansprechspannung des Überspan- nungsableiters bzw. einer Teilstrecke des Ableiters oder einer Zündhilfe, und zwar bevorzugt bei allen Stoßstrombelastungen, jedoch mindestens bei Strömen mit der Steilheit der Nennstoßstrombelastung .
Die Verzugszeit, d. h. die Dauer der erhöhten Restspannung bis zur Zündung der Haupttrennstrecke bzw. Hauptfunkenstrecke bei Nennstoßstrombelastung soll im Bereich von 100 ns bis 200 ns liegen, wobei bei kleineren Belastungen auch Verzugszeiten bis zu mehreren μs ohne Einschränkung der gewünschten Funktion möglich sind.
Durch die vorgeschlagene Maßnahme wird bewirkt, dass nach dem Ansprechen des oder der ersten Überspannungsabieiter die Spannung in der Parallelschaltung so lange steigt, bis alle weiteren Überspannungsabieiter ebenfalls angesprochen haben. Dieses gilt bevorzugt bei allen Stoßstrombelastungen, jedoch mindestens bei Strömen mit der Steilheit der Nennstoßstrombelastung.
Unter Ansprechen der übrigen Ableiter wird nicht nur das Zünden der Hauptstrecke, sondern bereits das Ansprechen einer Teilstrecke, also ein Stromfluss innerhalb der Funkenstrecke angesehen.
Bei dem Verfahren zur gleichmäßigen Impulsstromaufteilung bei parallel geschalteten, spannungsschaltenden Überspannungsableitern zum Zweck der Erhöhung der Blitzstoßstrom-Tragfähigkeit weisen demnach die in der Parallelschaltung eingesetzten Überspannungsabieiter eine Verzugszeit bis zur Zündung zwischen den Hauptelektroden bzw. der Haupttrennstrecke auf, wobei innerhalb der Verzugszeit eine Spannung bei Impulsstromfluss aufgebaut wird, welche mindestens zwischen 10% und 20% höher als die statische Ansprechspannung der eingesetzten Überspannungsabieiter oder einer vorhandenen Zündhilfe ist. Hierdurch wird nach dem Ansprechen des ersten Überspannungsabieiters sichergestellt, dass alle weiteren Ableiter der Parallelschaltung durch Erreichen der jeweiligen Ansprechspannung aktiviert werden.
Die Zündverzögerung der Strecke zwischen den Hauptelektroden wird durch mindestens eine im jeweiligen Ableiter integrierte Impedanz oder einen integrierten Widerstand erzeugt.
Nach dem Zünden der Hauptstrecke der Funkenstrecke ist die integrierte Impedanz nicht mehr als Bestandteil des Stromkreises anzusehen, d . h. es finden keine Rückwirkungen im Sinne eines Spannungsabfalls auf den Stromkreis statt. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu externen Impedanzen, aber auch zu impedanzbehafteten Anschlüssen der Funkenstrecke innerhalb eines Ableitergehäuses, z. B. beim Anschluss über Stahl- oder Grafitelemente anstelle von Kupferleitungen.
Die eingesetzten Elemente zur Zündverzögerung besitzen insbesondere ein nichtlineares Strom-Spannungs-Verhalten.
Die Verzugszeit und der Spannungsaufbau zum sicheren Zünden aller Ableiter der Parallelschaltung wird durch eine integrierte, impedanzbehaftete Hilfs- elektrode realisiert, wobei diese eine erste Trennstrecke Ll zwischen den Hauptelektroden bildet, welche kleiner als die zweite Trennstrecke L2 zwischen den Hauptelektroden ist, so dass bei einem Stromfluss entlang der Hilfselektrode über die erste Trennstrecke Ll ein Spannungsabfall entsteht, welcher mit zunehmendem Stromfluss linear oder nichtlinear steigt.
Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gleichmäßigen Impulsstromaufteilung bei parallel geschalteten, spannungs- schaltenden Überspannungsableitern ist so gestaltet, dass die parallel geschalteten Ableiter je mindestens eine Haupttrennstrecke L2 zwischen den Hauptelektroden aufweisen, wobei zwischen den Hauptelektroden eine impe- danzbehaftete H ilfselektrode, auch in verschiedener geometrischer Konfiguration, angeordnet ist, so dass eine Hilfstrennstrecke Ll entsteht, deren Länge kleiner als diejenige der Haupttrennstrecke L2 ist, um bei Überspannung ein Ansprechen zunächst über die H ilfselektrode und die Hilfstrennstrecke Ll zu erreichen, wobei sich durch den Stromfluss durch oder entlang der Hilfselektrode ein Spannungsabfall ergibt, der das Ansprechen der parallel geschalteten Ableiter innerhalb des verzögerten Zündens der Haupttrennstrecke L2 ermöglicht.
Wie bereits dargelegt, ist eine Voraussetzung für eine gleichmäßige Impulsstromaufteilung bei spannungsschaltenden Überspannungsableitern ein nahezu gleichzeitiges Ansprechen der jeweiligen Ableiter.
Da, wie eingangs erläutert, die Ansprechspannung der Ableiter sehr stark streut, müssen geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um nach dem Ansprechen des ersten Ableiters mit der niedrigsten Ansprechspannung die weiteren parallelen Ableiter zu zünden.
Um die Zündung der weiteren parallelen Ableiter zu bewirken, muss also deren Ansprechspannung ebenfalls erreicht werden. Üblicherweise bricht die Spannung bei spannungsschaltenden Überspannungsableitern unmittelbar nach dem Ansprechen auf deutlich niedrigere Spannungswerte zusammen. Die Höhe dieser Werte wird dabei durch die Lichtbogenspannung des jeweiligen Ableiters bestimmt.
Um trotzdem ein Ansprechen von parallelen Ableitern zu bewirken, wird nach dem Stand der Technik eine Reihenschaltung von Impedanzen zu den Ableitern vorgenommen.
Hingegen wird bei den Überspannungsableitern gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren der benötigte Spannungsabfall zur Zündung der parallelen Ableiter durch eine im Ableiter integrierte Zündverzögerung der Haupttrennstrecke selbst erzeugt. Dies kann einerseits durch die geometrische Gestaltung der Zündstrecken und des Entladungsraums sowie andererseits durch die angegebenen Eigenschaften der Materialien im ersten Zündpfad, d. h. bezogen auf die Hilfselektrode erfolgen. Die Zündverzögerung erfüllt mehrere Aufgaben.
Durch die Verzögerung der Zündung der Haupttrennstrecke wird ein Spannungsabfall erzeugt, welcher erfindungsgemäß bei Stromsteilheiten der Nennstoßströme um 10% bis 20%, bevorzugt um 15% über dem statischen Ansprechwert der parallelen Ableiter liegt.
Je höher der erzeugte Spannungsabfall und je länger die Zündverzögerung ist, desto sicherer zünden die parallel geschalteten Ableiter.
Bei der Bemessung der Höhe des Spannungsabfalls ist zu berücksichtigen, dass der Schutzpegel des Ableiters bei allen denkbaren Stromsteilheiten und Stromwerten nicht überschritten wird . Die Dauer des anstehenden Spannungsabfalls ist bei einem Spannungsabfall in Höhe des angestrebten Schutzpegels noch größer als die üblichen Zündzeiten von spannungsschal- tenden Überspannungsableitern zu wählen. Die Zündverzugszeiten der Hauptstrecke sind bevorzugt im Bereich > 100 ns liegend, um ein sicheres Zünden der parallelen Ableiter zu gewährleisten.
Mit Zunehmen der Dauer der Verzugszeit in einem Bereich von z. B. > 1 μs, kann die Höhe des Spannungsabfalls auf einen Mindestwert gesenkt werden, da die parallelen Ableiter entsprechend ihrer statischen Kennlinie ansprechen können.
Insbesondere bei einem niedrigen Schutzpegel der Ableiter ist es notwendig, dass während der Zündverzögerung bereits relativ große Anteile des Impulsstroms vor dem Zünden der Haupttrennstrecke oder Hauptfunkenstrecke abgeleitet werden können, damit der Spannungsanstieg infolge der eingeprägten Impulsströme begrenzbar ist. Zur Erzielung von hohen Zündverzugszeiten ist ein nichtlineares Strom-Spannungs-Verhalten der Verzögerungselemente bevorzugt. Bei Überspannungsableitern mit externen Zündhilfen kann die Aufgabe der Zündverzögerung der Hauptfunkenstrecke und der Steuerung des Spannungsabfalls teilweise auch von dieser übernommen werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen : Fig . 1 ein beispielhaftes U/I-Verhalten von Überspannungsableitern über einen Zeitraum t;
Fig . 2 eine Prinzipdarstellung einer möglichen Gestaltungsvariante einer erfindungsgemäß weitergebildeten Funkenstrecke und
Fig . 3 eine weitere Ausführungsform eines Überspannungsabieiters im
Form einer Funkenstrecke zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei welcher durch die Ausbildung der ersten Entladungsstrecke Ll die Ionisation der Hauptstrecke L2 erschwert wird.
Gemäß der Darstellung nach Fig. 1 sei das prinzipielle Verhalten von zwei parallel geschalteten, erfind ungsgemäßen Überspannungsableitern erläutert.
Der Kurvenverlauf zeigt den Anstieg der Überspannung, wobei die gestrichelten Verläufe 2 und 3 die Stoßkennlinie der Ableiter repräsentieren.
Beim Erreichen der Stoßkennlinie des ersten Ableiters am Punkt 4 spricht der erste Ableiter an und es beginnt der Impulsstrom über die Teilstrecke dieses ersten Ableiters zu fließen.
Der Spannungsabfall über der gesamten Anordnung wird zwar auf einen Wert unterhalb des Schutzpegels Up begrenzt, er bleibt jedoch aufgrund der verzögerten Zündung der Haupttrennstrecke der entsprechenden Funkenstrecke auf einem hohen Niveau .
Nach dem Erreichen der Stoßkennlinie bzw. des statischen Ansprechwerts des zweiten Ableiters am Punkt 5 zündet dieser die Teilstrecke und es fließt zum Zeitpunkt t2 ein Teilstrom über den Ableiter.
Nach einer weiteren Zeit zündet eine der beiden Funkenstrecken zum Zeitpunkt t3 und es reduziert sich die Spannung auf die Lichtbogenspannung der Hauptstrecke des entsprechenden Ableiters. Aufgrund des erfolgten Ladungseintrags, der damit verbundenen Ionisation des zweiten Ableiters und der begrenzten Kommutierungszeit des Stromes, zündet der zweite Ableiter ebenfalls. Bei baugleichen Ableitern ergibt sich aufgrund der ähnlichen Lichtbogenspannung bei Stoßstrombelastung unter Beachtung der erfindungsgemäßen Prinzipien eine nahezu gleiche Stromaufteil ung.
Besonders günstig auf die Stromaufteilung wirken sich hohe Lichtbogenspannungen im Bereich > 100 V aus. Diese Lichtbogenspannungen ermöglichen selbst bei Impulsen mit langen Rückenhalbwertszeiten eine ideale Stromaufteil ung.
Für die prinzipielle Funktionsweise der Anordnung ist es gleichgültig, ob die Spannung am Punkt 4 größer als die Spannung am Punkt 5 oder niedriger ist. Als entscheidend gilt, dass während des Zündverzugs des ersten angesprochenen Ableiters die Höhe der momentanen Ansprechspannung des oder der parallelen Ableiter auf jeden Fall erreicht wird .
Nach dem Zünden der Hauptstrecke gemäß Fig. 1 am Punkt 6 bzw. zu t3 einer Funkenstrecke sinkt die Spannung über der Gesamtanordnung und steigt nicht mehr an. Mit dem Absinken der Spannung im Zeitpunkt t3 sinkt zwar der Strom in den parallel geschalteten Funkenstrecken in den Teilstrecken bzw. der Impedanz gering ab, jedoch verlischt der Lichtbogen nicht. Durch den bleibenden Energieeintrag zünden die Hauptstrecken der weiteren parallelen Funkenstrecken ebenfalls.
Die Fig. 2 und 3 zeigen mögliche Ausgestaltungsvarianten erfindungsgemäß weitergebildeter Überspannungsabieiter.
Bei der Ausführungsform nach Fig . 2 sind die gegenüberliegenden Hauptelektroden 1 und 2 mit einer dazwischen befindlichen Haupttrennstrecke L2 ausgestattet.
Zwischen den Hauptelektroden 1 und 2 befindet sich eine Hilfselektrode 3. Die Hilfselektrode 3 kann mit einer der Hauptelektroden 1 oder 2 elektrisch verbunden sein oder aber auch von beiden Hauptelektroden durch eine Trennstrecke isoliert werden.
Wie in der Fig. 2 gezeigt, ist die Hilfselektrode 3 mit der Hauptelektrode 2 elektrisch leitend verbunden und von der gegenüberliegenden Hauptelektrode 1 durch eine Trennstrecke Ll getrennt. Die Hilfstrennstrecke Ll ist dabei kleiner oder kürzer als die Trennstrecke L2 und gewährleistet aufgrund des Abstands und/oder der Materialauswahl bei allen Steilheiten das Ansprechen des Ableiters zwischen der Hauptelektrode 1 und der Hilfselektrode 3.
Bei einer Überspannung spricht der Ableiter somit über d ie Hauptelektrode 2, die Hilfselektrode 3 und die Hauptelektrode 1 an.
Das Material der Hilfselektrode ist impedanzbehaftet, so dass bei einem Stromfluss durch oder entlang des Materials ein Spannungsabfall resultiert, welcher bei zunehmendem Stromfluss oder einer Stromänderung linear oder nichtlinear steigt.
Je nach angestrebtem Schutzpegel und Typ des Ableiters kann der Strom über die Hilfselektrode 3 Momentanwerte bis zu mehreren kA erreichen. Die Zeitdauer bis zur Zündung der Haupttrennstrecke L2 hängt neben den gegebenen ableitertypischen Faktoren, wie Abstand, Material, Druck, elektrische Feldstärke und so weiter, von der Ionisation zwischen der Haupttrennstrecke L2 und der Höhe des Spannungsabfalls über dem gesamten Ableiter ab.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Überspannungsabieiters, bei welchem d urch die Anordnung der ersten Entladungsstrecke Ll die Ionisation der Hauptentladungsstrecke L2 erschwert wird, wodurch die Zeitverzögerung bis zur Zündung der Hauptstrecke L2 unabhängig von den Eigenschaften der Hilfselektrode 3 erhöht werden kann.
Bei dieser Ausführungsform nach Fig. 3 ist die erste Hauptelektrode 1 mit einem pilz- oder nageiförmigen Kopf versehen, welcher der Hauptelektrode 2 gegenüberl iegt. Im Verjüngungsabschnitt der Hauptelektrode 1 sind, quasi den eigentlichen Kopf hintergreifend, fingerartige Fortsätze der Hilfselektrode 3 vorgesehen, die einen Abstand zur Hauptelektrode 1 besitzen, welcher die Hilfstrennstrecke Ll bildet. Auch hier ist die Länge der Hilfstrenn- strecke Ll kleiner als der Abstand zwischen den Hauptelektroden 1 und 2, welcher die Haupttrennstrecke L2 bildet.
Bei Ableitern mit externer Zündhilfe kann neben den dargestellten Varianten mit integrierter Impedanz innerhalb des Ableiters auch eine Impedanz außerhalb des Ableiters angebracht werden und das Potential über eine leitende Hilfselektrode zugeführt sein.
Zusammenfassend ermöglicht die Erfindung eine Parallelschaltung von Gas- entladungsableitern, Funkenstrecken und Überspannungsableitern mit Zündhilfe zur Erhöhung der Blitzstoßstrom-Tragfähigkeit, wobei eine sichere Aufteil ung des Blitzstoßstroms auf die Ableiter erfolgt, so dass eine Überlastung einzel ner Ableiter innerhalb der Parallelschaltung ausgeschlossen werden kann. Die Parallelschaltung kann jederzeit, auch nachträglich und ohne zusätzliche Reihenelemente mit gewünschter, optimaler Stromverteilung bei Stoßstrombelastungen realisiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur gleichmäßigen Impulsstromaufteilung bei parallel geschalteten, spannungsschaltenden Überspannungsableitern, wie Gasentladungs- ableitern, Funkenstrecken mit Zündhilfen oder dergleichen, zum Zweck der Erhöhung der Blitzstoßstrom-Tragfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Parallelschaltung eingesetzten Überspannu ngsabieiter eine Verzugszeit bis zur Zündung zwischen den Hauptelektroden aufweisen, wobei innerhalb der Verzugszeit eine Spannung bei Impulsstromfluss aufgebaut wird, welche mindestens zwischen 10% und 20% höher als die statische Ansprechspannung der eingesetzten Überspannungsabieiter oder einer vorhandenen Zündhilfe ist, derart, dass nach dem Ansprechen des ersten Überspannungsabieiters alle weiteren Ableiter der Parallelschaltu ng durch Erreichen der jeweiligen Ansprechspannung aktiviert werden
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzugszeit zur Bereitstellung der erhöhten Spannung bis zur Zündung zwischen den Hauptelektroden bei Nennstoßstrombelastung sowie entsprechender Steilheit im Bereich von im Wesentlichen > 100 ns bis 200 ns liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzugszeit zur Bereitstellung der erhöhten Spannung bis zur Zündung zwischen den Hauptelektroden unterhalb der Nennstoßstrombelastung bis zu mehreren μs beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündverzögerung der Strecke zwischen den Hauptelektroden durch mindestens eine im jeweiligen Ableiter integrierte Impedanz oder einen integrierten Widerstand erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Elemente zur Zündverzögerung ein nichtl ineares Strom- Spannungs-Verhalten besitzen.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzugszeit und der Spannungsaufbau zum sicheren Zünden aller Ableiter durch eine integrierte, impendanzbehaftete Hilfselektrode realisiert wird, wobei diese eine erste Trennstrecke (Ll) zwischen den Hauptelektroden bildet, welche kleiner als die zweite Trennstrecke (L2) zwischen den Hauptelektroden ist, so dass bei einem Stromfluss entlang der Hilfselektrode über die erste Trennstrecke (Ll) ein Spannungsabfall entsteht, welcher mit zunehmendem Stromfluss linear oder nichtlinear ansteigt.
7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Ableiter je mindestens eine Haupttrennstrecke (L2) zwischen zwei Hauptelektroden (1; 2) aufweisen, wobei zwischen den Hauptelektroden (1; 2) eine impedanzbehaftete Hilfselektrode (3) so angeordnet ist, dass eine Hilfstrennstrecke (Ll) entsteht, deren Länge kleiner als diejenige der Haupttrennstrecke (L2) ist, um bei Überspannung ein Ansprechen zunächst über die Hilfselektrode (3) und die Hilfstrennstrecke (Ll) zu erreichen, wobei sich durch den Stromfluss durch oder entlang der Hilfselektrode (3) ein Spannungsabfall ergibt, der das Ansprechen der paral lel geschalteten Ableiter innerhalb des verzögerten Zündens der Haupttrennstrecke (L2) ermöglicht.
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