[0001] Die Erfindung betrifft einen gekapselten, druckfesten Überspannungsableiter mit einer
Funkenstrecke innerhalb der Kapsel, wobei diese eine rotationssymmetrische, insbesondere
Zylinderform aufweist, weiterhin die Funkenstrecke zwei Elektroden und mindestens
einen Isolationsabschnitt umfaßt, die Elektroden jeweils mit einer bevorzugt stirnseitig
oder gegenüberliegend angeordneten, externen Stromzuführung in Verbindung stehen und
die Stromzuführung mindestens einen Teil der Kapsel bildet, gemäß Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
[0002] Bekanntermaßen entstehen bei gekapselten Überspannungsableitern im Niederspannungsbereich,
insbesondere bei hohen Blitzstoßströmen, innerhalb der Ableiter sehr hohe dynamische
Drücke. Weiterhin wirken bei derartigen Belastungen große dynamische Kräfte infolge
der hohen Stromstärken von bis zu 100 kA.
Diese beiden Belastungsarten stellen extrem hohe Anforderungen an die mechanische
Festigkeit der Ableiter.
[0003] Hinsichtlich der geforderten Stabilität und üblicher Ableitergeometrien empfiehlt
sich ein zylindrischer, im allgemeinen rotationssymmetrischer Aufbau, bei welchem
der Anschluß der beiden Hauptelektroden im Regelfall an den Stirnseiten des Zylinders
erfolgt.
[0004] Derartige Ausführungsformen, wie sie beispielsweise in der DE 196 04 947 C1, DE 198
17 063 A1, DE 198 18 674 A1 und der DE 196 15 521 A1 gezeigt sind, haben sich in der
Praxis bewährt.
[0005] Nachteilig bei den vorbekannten Anordnungen ist jedoch, daß der beim Ansprechen des
Ableiters entstehende Lichtbogen zum Verharren neigt. Demnach können auch lang andauernde
Lichtbögen, wie z.B. Folgestrom-Lichtbögen, nicht durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise
Stromkräfte, thermodynamische Kräfte bzw. Strömungen zu einer zielgericheten Bewegung
und somit zum Weglaufen vom Zündort gezwungen werden. Die Folge hiervon ist eine zu
starke Aufheizung der Elektroden und der unmittelbaren Elektroden-Umgebung, so daß
die Gleit- und Isolationsstrecken geschädigt werden und zudem ein erhöhter Elektrodenabbrand
auftritt. Weiterhin steigt die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Wiederzündung.
[0006] Zum Vermeiden von Wiederzündungen bzw. von Beschädigungen der Isolationsstrecke eignet
sich eine räumliche und zeitliche Funktionstrennung zwischen Zünd- und Löschbereich
des Lichtbogens bei Folgestrom-Belastungen. Bei Belastungen der Funkenstrecke mit
Stoßströmen ist eine solche Funktionstrennung nicht möglich, da der Lichtbogen infolge
seiner zu geringen Geschwindigkeit kaum vom Zündbereich oder von der Zündstelle fortbewegt
werden kann.
[0007] Bei Stoßströmen kann der Energieumsatz daher nur durch eine Begrenzung der Lichtbogenspannung,
z.B. durch geringe Abstände, geringe Drücke und ähnliches beeinflußt werden. Der mögliche
netzfrequente Folgestrom ist jedoch von dem thermisch stark belasteten Zündbereich
schnell fortzubewegen, um dessen Wiederverfestigung zu gewährleisten.
[0008] Die DE 100 08 766 A1 offenbart einen gekapselten Ableiter mit Funkenhörnern, bei
dem eine Funktionstrennung, wie oben erwähnt, zur Vermeidung der genannten Nachteile
beschrieben wird. Zur Bewegung des Folgestrom-Lichtbogens erfolgt ein Ausnutzen der
Wirkung der Lorentzkraft, wodurch sich der Lichtbogen nach seiner Zündung vom Entstehungsort
infolge der auf ihn wirkenden Stromkräfte wegbewegt. Bei einer solchen Lösung ist
es jedoch notwendig, die beiden Hauptelektroden an einer Stirnseite isoliert in das
Ableitergehäuse einzubringen. Neben der Einschränkung der konstruktiven Anschluß-
und Gestaltungsmöglichkeiten eines solchen Ableiters reduziert dies auch die insbesondere
für gekapselte Ableiter notwendige Druckfestigkeit. Darüber hinaus besteht aufgrund
der isolierten Durchführung der Anschlüsse der Hauptelektroden auf nur einer Seite
des Ableiters eine erhöhte Gefährdung durch einen äußeren Überschlag.
[0009] Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten
gekapselten, druckfesten Überspannungsableiter mit einer Funkenstrecke innerhalb der
Kapsel anzugeben, der Hauptelektroden-Anschlüsse aufweist, die jeweils bevorzugt von
einer Stirnseite zuführbar sind und bei dem in besonders vorteilhafter Weise die an
sich bekannte Wirkung der Lorentzkraft auf den gezündeten Lichtbogen ausgenutzt wird,
um den Lichtbogen von der Entstehungsstelle fortzubewegen und in eine Löschstellung
zu überführen.
[0010] Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Überspannungsableiter gemäß
den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige
Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
[0011] Der Grundgedanke der Erfindung besteht demgemäß darin, daß innerhalb eines Überspannungsableiters
dafür Sorge getragen wird, daß die Stromflußrichtung vor der Isolationsstrecke oder
dem Zündbereich mindestens um 90°, bevorzugt um 180° geändert wird.
[0012] Bei einem zylindrischen Körper des Überspannungsableiters ist die Funkenstrecke so
ausgebildet, daß die Bewegungsrichtung des Lichtbogens parallel zur Zylinderachse
erfolgt, wobei der Lichtbogen senkrecht zur Zylinderachse zündet. Die Stromzuführung
erfolgt innerhalb der Funkenstrecke bis auf den Umlenkungsbereich parallel zur Zylinderachse.
[0013] Durch die beschriebene interne Stromrichtungsumkehr innerhalb einer bevorzugt zylindrischen
Funkenstrecken-Anordnung mit stirnseitigen axialen Stromzuführungen kann einerseits
die hohe Druckfestigkeit und die hohe Festigkeit gegenüber dynamischen Stromkräften
einer solchen Anordnung bei gleichzeitiger Verringerung der Isolationsstrecken-Belastung
infolge der schnellen, von der Isolationsstrecke weg gerichteten Bewegung des Lichtbogens
genutzt werden. Andererseits kann durch die Bewegung des Lichtbogens und die thermische
Entlastung der Zündstelle der Elektrodenverschleiß reduziert werden. Letzteres wirkt
sich wiederum positiv auf die Reproduzierbarkeit der Ansprechspannung der Funkenstrecke
und auf das Wiederzündverhalten der Funkenstrecke bei Folgestrom-Belastungen aus.
Durch die Stromzuführung der Hauptelektroden an nur jeweils einer der Stirnseiten
kann die Gefahr eines äußeren Überschlags, selbst bei starker Verschmutzung oder feuchter
Umgebung, gering gehalten werden.
[0014] Die gewünschte Umkehr der Stromflußrichtung erfolgt durch eine Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr
oder Stromrichtungsänderung innerhalb der Kapsel des Überspannungsableiters oder eine
stromrichtungsumkehrende oder stromrichtungsändernde Ausbildung mindestens einer der
Hauptelektroden.
[0015] Bei einer ersten Ausführungsform wird von einer stabförmigen Innenelektrode mit einer
im wesentlichen rotationssymmetrischen Außenelektroden-Anordnung ausgegangen, wobei
die Außenelektrode zur Innenelektrode diese beabstandet und umgebend ausgebildet ist.
Die Innenelektrode weist einen axialen Verlauf auf und die Außenelektrode besitzt
an ihrer Innenseite die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr, welche als leitfähiger
ringförmiger Körper, Gitter oder Hohlzylinder ausgebildet ist. Dieser leitfähige ringförmige
Körper, das Gitter oder der Hohlzylinder ist mit der Außenelektrode nur am stromzuführungsseitig
entfernten Ende elektrisch kontaktiert, wobei der Lichtbogen nach Zündung im Ableitfall
im wesentlichen senkrecht zur Achse der Innenelektrode brennt und sich parallel zu
dieser Achse von der Zündstelle weg bewegt. Der leitfähige ringförmige Körper, welcher
nunmehr die Funktion der Gegenelektrode übernimmt, ist dabei von der Außenelektrode
beabstandet. Dieser Abstand kann gleichverlaufend, aber auch von der Zündstelle ausgehend
variabel gewählt sein.
[0016] Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist eine stabförmige Innenelektrode
von einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Außenelektrode beabstandet umgeben,
wobei die Innenelektrode einen axialen Verlauf aufweist und die Innenelektrode die
Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr umfaßt.
Diese Einrichtung ist wiederum als leitfähiger, ringförmiger Körper, Gitter oder Hohlzylinder
ausgebildet, der mit der Innenelektrode nur am stromzuführungsseitig abgewandten Ende
kontaktiert ist. Auch hier befindet sich der Ring in einem radialen Abstand zur Innenelektrode.
[0017] Die Außenelektrode kann bei einer wesentlichen Ausführungsform der Erfindung eine
Topfform aufweisen, wobei der offene Teil des Topfes den Isolationsabschnitt aufnimmt,
welcher die Innenelektrode trägt. Zur Triggerung bzw. zum Steuern des Zündverhaltens
kann über den Isolationsabschnitt eine Hilfselektrode eingebracht werden.
[0018] Eine ergänzende Ausgestaltung bezüglich der Anordnung der Hilfselektrode ist derartig
realisiert, daß am offenen Teil des Topfes der Außenelektrode ein umlaufender Isolationsrand
mit nachgeordneter Hilfselektrode befindlich ist. Diese Hilfselektrode springt bezogen
auf den Isolationsrand radial zurück. Die Hilfselektrode kann ringförmig, d.h. rotationssymmetrisch
gestaltet werden. Alternativ sind ein oder mehrere stiftförmige Hilfselektroden, radial
nach innen gerichtet, im Sinne der Erfindung liegend.
[0019] Weiterhin ausgestaltend wird wiederum von einer Außenelektrode in Topfform ausgegangen,
wobei bevorzugt im stromzuführungsseitig entfernten Ende eine gegen die Hauptelektrode
isolierte Hilfselektrode mit separater Stromzuführung innerhalb des Topfes vorgesehen
ist. Diese Hilfselektrode kann als Stiftelektrode ausgeführt werden.
[0020] Bei einer Variante mit Aufteilung des Lichtbogens zur Vervielfachung der Sofortverfestigung
ist zwischen Innen- oder Außenelektrode und der jeweiligen Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr
eine axial verlaufende Hülse aus einem abbrandfesten Material angeordnet, welche über
einen hochohmigen Bereich als Einsatzstück im Isolationsabschnitt mit der Innenoder
Außenelektrode elektrisch verbunden ist.
[0021] Die erwähnte Hülse kann aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Alternativ
ist die Hülse als Trennwand ausgebildet und besteht aus einem Widerstandsmaterial,
metallisierten leitfähigen Polymeren oder aus Materialien mit nichtlinearem Strom-/Spannungsverhalten.
[0022] Die Einrichtung zur Aufteilung des Lichtbogens kann auch in Lichtbogen-Bewegungsrichtung
von der Zündstelle beabstandet, d.h. nicht bis zur Zündstelle herunterreichend ausgeführt
werden.
[0023] Die Hülse für die Aufteilung des Lichtbogens besitzt bevorzugt an ihrem zur Zündstelle
gerichteten Ende Einlaufschlitze oder Einlauföffnungen. Zur Unterstützung der Lorentzkraftwirkung
auf den Lichtbogen kann die Hülse aus einem ferromagnetischen Material bestehen.
[0024] Der Abstand zwischen Innen- und Außenelektrode in Lichtbogen-Bewegungsrichtung kann
konstant, aber auch kontinuierlich oder diskontinuierlich vergrößert sein.
[0025] Die Elektroden und/oder die Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr weisen bei einer
Ausführungsform an ihren zur Lichtbogen-Brennseite gerichteten Oberflächen mindestens
abschnittsweise Ansatzstrukturen zur Beschleunigung der Laufbewegung des Lichtbogens
auf. Diese Ansatzstrukturen können Rillen, Vor- und Rücksprünge in Laufrichtung über
den gesamten Umfang der Elektrode oder ähnliche Strukturen sein. Auch besteht die
Möglichkeit, Materialien mit einer inneren Strukturierung, z.B. einer Faserstruktur
oder ein orientiertes Verbundmaterial einzusetzen.
[0026] Zwischen der Innen- oder Außenelektrode und der jeweiligen Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr
können insbesondere Wände eingebracht werden, welche in Lichtbogen-Laufrichtung orientierte
Kammern bilden. Diese Kammerwände bestehen bevorzugt aus einem gasabgebenden Isolationsmaterial.
Die Kammerwände wiederum umfassen Durchbrechungen oder Schlitze.
[0027] Mit Hilfe der Kammern ist eine beschleunigte Bewegung des Lichtbogens bei gleichzeitiger
verbesserter Kühlung erreichbar. Eine derartige Anordnung führt zu quasi mehreren
parallelen Funkenstrecken innerhalb ein und desselben Ableiters. Zum Druckausgleich
und zur Erzeugung gewünschter paralleler Lichtbögen, insbesondere bei großen Stoßströmen,
sind die Wände wie vorerwähnt quer zur Laufrichtung durchbrochen oder weisen Schlitze
auf.
[0028] Die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr kann eine sogenannte aufgeteilte Elektrode
sein, die sich vom stromzuführungsfernen Ende als Stab, Scheibe oder Wand zur gegenüberliegenden
Elektrode erstreckt bzw. richtet und dann im wesentlichen parallel zur Längsachse
dieser gegenüberliegenden Elektrode verläuft.
[0029] Eine ergänzende Ausführungsform der Erfindung geht von zwei Hauptelektroden aus,
die im wesentlichen gegenüberliegend und rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Die
jeweilige stirnseitige Stromzuführung ist im wesentlichen axial und im Zentrum der
jeweiligen Hauptelektrode befindlich. Die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr ist
radial außen an der jeweiligen Hauptelektrode angeschlossen und verläuft dann zunächst
axial in Richtung zur gegenüberliegenden Elektrode und dann abgewinkelt in Richtung
zur Längsachse der Anordnung.
Eine derartige Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr kann als leitfähiger Finger, aber
auch als Kreisring oder Kreisringsegment ausgeführt werden.
[0030] Die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr in Kreisringform oder in Kreisringsegmentform
weist zwischen dem Kreisring oder dem Kreissegment und der jeweiligen Hauptelektrode
mindestens einen leitfähigen Verbindungssteg im radialen Außenbereich auf.
Auch besteht die Möglichkeit, mehrere, benachbarte Kreissegmente vorzusehen, welche
jeweils einen elektrischen Verbindungssteg zur radialen Außenseite der jeweiligen
Hauptelektrode besitzen.
[0031] Die zueinander weisenden Oberflächen der Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr besitzen
von radial außen nach radial innen einen sich vergrößernden Abstand zum Zwecke des
sicheren Verlöschens des Lichtbogens.
[0032] Die vorstehend erläuterte Ausführungsform ist ebenso zur Aufnahme einer Zünd- oder
Triggerhilfselektrode geeignet. Eine solche Hilfselektrode ist bevorzugt radial außenseitig
zwischen den Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr angeordnet.
[0033] Im freien, zentrischen Mittelpunktsbereich besitzt diese Ausführungsform eines Überspannungsableiters
in axialer Richtung verlaufend Prallbleche zur Aufteilung des Lichtbogens oder mindestens
eine Lichtbogen-Kühleinrichtung.
[0034] Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme
von Figuren näher erläutert werden.
[0035] Hierbei zeigen:
- Fig. 1a, 1b
- eine erste Ausführungsform der Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr innerhalb eines
Überspannungsableiters;
- Fig. 2a bis 2c
- verschiedene Ausführungsformen der Anordnung von Hilfs- oder Triggerelektroden bei
einem Überspannungsableiter mit Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr;
- Fig. 3
- eine Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr
und Mitteln zur Aufteilung des Lichtbogens;
- Fig. 4
- eine Darstellung ähnlich Fig. 3, jedoch mit einer Einrichtung zur Aufteilung des Lichtbogens,
die entfernt von der Lichtbogen-Zündstelle angeordnet ist;
- Fig. 5
- eine Schnittdarstellung eines Überspannungsableiters mit zwischen Innenelektrode und
Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr angeordneter Trennwand;
- Fig. 5
- Querschnitt 1: eine Darstellung eines Schnitts entlang der Schlitze oder Durchbrechnungen;
- Fig. 5
- Querschnitt 2: eine Darstellung entlang der in Fig. 5 (Gesamtansicht) gezeigten Schnittlinie;
- Fig. 6
- eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit
einer Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr als aufgeteilter Elektrode im Längsschnitt
bzw. im Querschnitt;
- Fig. 7a bis 7c
- verschiedene Ausführungsformen von Querschnitten prinzipiell möglicher Elektrodenanordnungen;
- Fig. 8
- eine Ausführungsform des Überspannungsableiters mit Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr
ausgehend von der topfförmigen Außenelektrode, wobei der Außenanschluß seitlich erfolgt,
und
- Fig. 9
- eine Schnittdarstellung durch einen Überspannungsableiter mit im wesentlichen rotationssymmetrischen,
gegenüberliegenden Hauptelektroden und einer im Inneren vorgesehenen jeweiligen Einrichtung
zur Stromrichtungsumkehr, die radial außen an der jeweiligen Hauptelektrode angeschlossen
ist und dann axial in Richtung zur gegenüberliegenden Elektrode und abgewinkelt zur
Längsachse der Anordnung verläuft.
[0036] Bei den Überspannungsableitern der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
wird von einer Grundanordnung ausgegangen, die jeweils zwei Elektroden, gegebenenfalls
mit Hilfselektrode aufweist.
[0037] Die Außenelektrode 4 nach Fig. 1a besitzt eine Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr
4.1. Die Form der Außenelektrode 4 ist topfförmig gewählt und es ist ein im stirnseitigen
Bereich ausgebildeter äußerer Ableiteranschluß 2 vorhanden.
[0038] Die Innenelektrode 3 ist direkt mit dem weiteren äußeren Ableiteranschluß 1 verbunden.
[0039] Die Zündung der Funkenstrecke erfolgt zwischen den Elektroden 3 und 4 bzw. der Einrichtung
zur Stromrichtungsumkehr 4.1 und entlang der Isolationsstrecke 5. Der sich ausbildende
Lichtbogen 6 wird infolge der auf ihn wirkenden Lorentzkräfte F von der Zündstelle
im unteren Bereich weggedrückt und in der gezeigten Darstellung nach Fig. 1a, b nach
oben fortbewegt.
[0040] Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig.1b ist hier die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr
3.1 ausgehend von der Innenelektrode 3 realisiert. Der Verlauf der Stromrichtungsumkehr
ist mit den Pfeildarstellungen symbolsiert.
[0041] In den Fig. 1a und 1b wird deutlich, daß die Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr
3.1 und 4.1 jeweils einen Abstand in radialer Richtung, entweder betrachtet von der
Innenelektrode 3 oder von der Außenelektrode 4, die einen Teil der Kapselung darstellen
kann, besitzen.
[0042] Eine Ausgestaltung der Lösung gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a mit Hilfselektrode
7 zeigt die Schnittdarstellung nach Fig. 2a. Die dortige Hilfselektrode 7 ist über
den Isolationsabschnitt 5 in den Zündbereich der Anordnung hineingeführt.
[0043] Alternativ kann die Hilfselektrode 7, wie in der Fig. 2b dargestellt, auch isoliert
zur Hauptelektrode 4 mit Hilfe eines Isolationsrands oder Isolationsstreifens 13 als
umlaufender Ring eingebracht werden.
[0044] Fig. 2c wiederum offenbart eine Darstellung mit Ausführung einer Hilfselektrode 7
im Randbereich hin zur offenen Seite der topfförmigen Elektrode 4, und zwar als Stiftelektrode,
die gegenüber der Elektrode 4 isoliert ist.
[0045] Bei der Lösung nach Fig. 2b ist, wie ausgeführt, die Hilfselektrode 7 isoliert und
axial der Hauptelektrode 4 nachgeordnet, wobei der Zündfunke der Triggerung beim Überschlag
der Isolation 13 die gegenüberliegende Haupt- bzw. Innenelektrode 3 nahezu berührt,
wodurch geringe Triggerverzugszeiten realisierbar sind. Die Hilfselektrode kann bei
den Ausführungsformen nach Fig. 2a und 2b rotationssymmetrisch, z.B. als Ring ausgeführt
werden. In Fig. 2c ist eine Variante gezeigt, bei welcher z.B. aus Platzgründen oder
aber auch zur Realisierung eines minimalen Hauptelektroden-Abstands, die Hilfselektrode
7 isoliert durch die Hauptelektrode 4 geführt ist, wobei hier eine stiftförmige Ausführung
der Hilfselektrode bevorzugt ist.
[0046] An Funkenstrecken für Netzanwendungen werden wegen der hohen Tragfähigkeit von Stoßströmen
auch hohe Anforderungen hinsichtlich des Verhaltens bei Netzfolgeströmen gestellt.
So sollen Netzfolgeströme von bis zu mehreren Kiloampere sicher gelöscht und begrenzt
werden.
Eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Folgestromlöschung ist eine schnelle
Wiederverfestigung der Schaltstrecke nach dem natürlichen Stromnulldurchgang bei Wechselspannung.
Im Niederspannungsbereich ist im allgemeinen eine sogenannte Sofortverfestigung ausreichend.
Bei dem Einsatz von Materialien mit geringem Abbrand, wie sie bei Funkenstrecken üblich
sind, sinkt die Sofortverfestigung jedoch mit der Zunahme des Folgestroms stark ab.
Es sind daher insbesondere bei sehr leistungsfähigen Funkenstrecken zusätzliche Maßnahmen
zur Erhöhung der Wiederverfestigung notwendig. Auch ist dann, wenn der Folgestrom
begrenzt werden soll, eine Erhöhung der Lichtbogenspannung bis in den Bereich der
Netzspannung notwendig.
[0047] Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem zur Verbesserung der Wiederverfestigungsspannung
die Aufteilung des Lichtbogens zum Zeck der Verdoppelung der Sofortverfestigung unmittelbar
bei seiner Zündung zwischen den beiden Hauptelektroden erfolgt. Zur Vereinfachung
der Darstellung erfolgt die Aufteilung hier nur in zwei Teillichtbögen, wobei eine
darüber hinausgehende Aufteilung möglich ist.
[0048] Die Isolationsstrecke 5 wird bei diesem Ausführungsbeispiel zur Realisierung der
Ansprechspannung genutzt. Die Strecke oder der Abschnitt 8 besteht aus einem elektrisch
leitendem Material, z.B. POM, welches jedoch so hochohmig ist, daß es vom Lichtbogen
überschlagen werden muß. Die Kammerwand 9 besteht bevorzugt aus einem abbrandfesten
Material.
[0049] Auch bei dieser Ausführungsform kann eine Hilfselektrode zur Triggerung vorgesehen
sein, die beispielsweise analog der Darstellung nach Fig. 2a durch die Isolationsstrecke
5 geführt wird.
[0050] Zur Verbesserung der Lichtbogen-Bewegung können die eingesetzten abbrandfesten Metallwände
auch aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Soll neben der gewünschten Wiederverfestigung
des Lichtbogens vor allem auch der Spannungsabfall erhöht werden, können die Wände
aus einem Widerstandsmaterial, aus metallisierten leitfähigen Polymeren, aber auch
aus Materialien mit nichtlinearem Strom/Spannungsverhalten, z.B. Kaltoder Heißleiter,
gefertigt werden.
[0051] Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die im Niederspannungsbereich übliche
Aufteilung des Lichtbogens in Teillichtbögen erst nach einer bestimmten Laufstrecke
des Lichtbogens innerhalb der Funkenstrecke des Überspannungsableiters vorgenommen
wird. Ein Ring 10 wird hierbei bevorzugt aus ferromagnetischem Material gefertigt
und ist mit Einlaufschlitzen 10.1 versehen, wodurch die Aufteilung des Lichtbogens
unterstützt wird.
[0052] Zum Erzielen einer Erhöhung der Lichtbogenspannung, z.B. zur Folgestrombegrenzung,
können mehrere Ringe 10 gemäß Fig. 4a aus Löschblechen oder aus Isolationsstoffen
vorgesehen sein, wodurch eine Kühlung und damit Verlängerung des Lichtbogens bewirkt
wird.
Eine weitere Verlängerung des Lichtbogens außerhalb der Zündstelle kann dadurch erreicht
werden, daß der Abstand zwischen den beiden Hauptelektroden 3 und 4 in Laufrichtung
des Lichtbogens steigt bzw. vergrößert wird.
[0053] Zur Reduzierung der Belastung an der Überschlagsstelle ist eine schnelle Bewegung
des Lichtbogens von der Zündstelle von Vorteil. Neben der Stromrichtungsumkehr kann
die Bewegung des Lichtbogens durch weitere Maßnahmen unterstützt werden. Zur Beschleunigung
der Laufbewegung des Lichtbogens ist es von Vorteil, dem Lichtbogen innerhalb des
rotationssymmetrischen Gehäuses an den Elektroden bevorzugte Ansatzbereiche anzubieten.
Dies kann durch einfache Rillen in Laufrichtung über den gesamten Umfang der Elektroden
erfolgen. Auch können Materialien mit einer inneren Strukturierung, wie z.B. Faserstruktur,
Knetlegierung oder ein orientiertes Verbundmaterial, zum Einsatz kommen.
[0054] Eine beschleunigte Bewegung des Lichtbogens bei gleichzeitiger Kühlung wird erreicht,
wenn z.B. zwischen rotationssymmetrischen Elektroden mit Hilfe von bevorzugt gasenden
Isolationsmaterialien mehrere spaltenförmige Kammern in Laufrichtung gebildet werden.
Bei einer solchen Anordnung entstehen praktisch mehrere parallele, quasi Funkenstrecken
innerhalb des Ableiters.
[0055] Zum Druckausgleich und zur Erzeugung von parallelen Lichtbögen, insbesondere bei
großen Stoßströmen, können die in den Fig. 5 gezeigten Wände 11 quer zur Laufrichtung
Durchbrechungen 11.1 besitzen.
[0056] Während bei kleinen Stoß- und Folgeströmen jeweils nur eine der gebildeten Kammern
vom Lichtbogen genutzt wird, können insbesondere bei hohen Stoßströmen die parallelen
Funkenstrecken gezündet werden, wodurch gerade bei diesen hohen Druck- und Strombelastungen
eine gleichmäßige Belastung innerhalb des gesamten Ableiters erreicht wird. Zu den
Ausführungsformen mit Isolationsstegen sei auf die Figuren 5 verwiesen.
[0057] Eine weitere Möglichkeit zur Beschleunigung der Laufbewegung ist die vollständige
oder teilweise Hinterlegung der Hauptelektroden mit ferromagnetischem Material 12
(siehe auch Fig. 5, Querschnitt 2), welches eine Verstärkung der Lorentzkraft bewirkt.
Zur Unterstützung der Bewegung des Lichtbogens kann auch die Stirnseite der Funkenstrecke,
zu welcher sich der Lichtbogen bewegt, mit ferromagnetischem Material hinterlegt sein.
Durch das ferromagnetische Material wird eine Bündelung und Konzentration der Feldlinien
erreicht, wodurch eine anziehende Wirkung auf den Lichtbogen gegeben ist.
[0058] Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Hauptelektroden bzw. die Einrichtungen
zur Stromrichtungsumkehr nicht rotationssymmetrisch ausgeführt sind. Dies reduziert
zum einen den Bedarf an hochwertigem Elektrodenmaterial und die Einzelelektroden haben
eine Reduzierung des Abbrands bei Folgestrombelastung zur Folge.
[0059] Fig. 6 - Querschnittsdarstellung - zeigt vier Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr,
quasi als Einzelelektroden 14.
[0060] Hier können nahezu beliebig viele Einzelelektroden 14 aus einer bzw.auch aus beiden
Hauptelektroden gebildet werden, wodurch, wie vorerwähnt, der Abbrand bei Folgestrombelastung
auf die einzelnen Elektroden verteilt ist.
[0061] Bei Belastungen mit Stoßströmen hingegen können mit oder ohne Unterteilung durch
Trennwände alle Teilelektroden 14 aktiviert und damit genutzt werden. Aufgrund der
Strombündelung in den Teilelektroden 14 wird das Magnetfeld im Vergleich zu rotationssymmetrischen
Elektroden deutlich verstärkt, wodurch die Bewegung des Lichtbogens von der Überschlagsstelle
weg beschleunigt werden kann. Um diese Wirkung weiter zu unterstützen, kann auch die
innere Elektrode 3 über eine Kontur verfügen, aus einzelnen Teilelektroden bestehen
oder aber als Hohlelektrode ausgeführt werden.
[0062] Die Einteilung in einzelne Lichtbogenkammern kann bei einer derartigen Gestaltung
zudem leichter erfolgen und des weiteren sind größere Freiheitsgrade und Gestaltungsmöglichkeiten
zur Einbringung von Hilfselektroden, von ferromagnetischem Material oder aber von
gasabgebenden Isolationsmaterialien möglich. Die Fig. 7a bis 7c zeigen einige beispielhafte
Querschnitte von prinzipiell möglichen Elektrodenanordnungen. Zur Begrenzung der Lichtbogenwanderung
kann grundsätzlich oberhalb der beiden Hauptelektroden, d.h. am Ende des Lichtbogen-Laufwegs,
eine Prallplatte vorgesehen sein.
[0063] Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform des Überspannungsableiters mit Einrichtungen zur
Stromrichtungsumkehr ausgehend von der Außenelektrode 4, bei welcher eine Hauptelektrode
direkt über den äußeren Mantel der Funkenstrecke angeschlossen wird. In dieser Ausführungsform
braucht nur ein Anschluß isoliert durch die Stirnseite geführt zu werden, wodurch
sich insbesondere bei Funkenstrecken ohne Hilfselektrode eine Kostenreduktion bei
der Fertigung einstellt.
[0064] Bei der Ausführungsform gemäß Beispiel nach Fig. 9 erfolgt die Stromzuführung zu
den Hauptelektroden jeweils axial von den Stirnseiten 100, 20. Innerhalb der beiden
gezeigten Elektroden wird, mit der Pfeildarstellung symbolisiert, der Strom zunächst
radial nach außen geführt. Im äußeren Bereich ist eine Hilfselektrode 70 zur Triggerung
vorhanden. Der in diesem Bereich gezündete Lichtbogen 60 bewegt sich aufgrund der
Stromkräfte in Richtung der zentralen Achse.
Die stromrichtungsumkehrend ausgebildeten Elektroden 30 und 40 werden beispielsweise
gemäß den Fig. 5 bis 7 als Finger oder Spiralelektrode ausgestaltet oder besitzen
eine Kreisring- oder Kreissegmentform.
Eine solche Ausführungsform hat mehrere Vorteile. Bei netzfrequenten Folgeströmen
wird die magnetische Beblasung des Lichtbogens durch die erhöhte Feldstärke im Fußpunktbereich
verstärkt, wodurch eine beschleunigte Bewegung des Lichtbogens erreichbar ist. Bei
großen Impulsbelastungen besitzen die benachbarten Finger das gleiche Potential und
es kann sich der Lichtbogen auf mehrere der Finger aufteilen, wodurch der Abbrand
deutlich reduziert werden kann.
[0065] Im zentralen Bereich der Funkenstrecke nach Fig. 9 können Prallbleche 80 zur Aufteilung
des Lichtbogens, aber auch Anordnungen zur Kühlung des Lichtbogens z.B. nach Fig.
4 Verwendung finden. Ebenfalls können massive Abbrandelektroden, wie in Fig. 2 dargestellt,
eingebracht werden, auf welche der Lichtbogen übergeben werden kann. Des weiteren
sind entsprechend der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 3 und 7 Lichtbogen-Abbrandringe
oder ähnliche Anordnungen einsetzbar, auf denen sich der Lichtbogen beträchtlich bewegt,
wodurch der Abbrand reduziert werden kann.
[0066] Wie dargelegt, ist die Elektrodenausführung nach Fig. 9 so gewählt, daß diese eine
Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr bilden, welche radial außen an der jeweiligen
Hauptelektrode angeschlossen ist, dann axial in Richtung zur gegenüberliegenden Elektrode
sowie abgewinkelt zur Längsachse der Anordnung verläuft.
[0067] Allen vorstehend geschilderten Ausführungsbeispielen, die den Grundgedanken der Erfindung
nicht einschränken, ist gemein, daß innerhalb eines Überspannungsableiters die Stromflußrichtung
vor der Isolationsstrecke bzw. im Zündbereich um mindestens 90°, jedoch vorteilhafter
um 180° geändert wird. Auf diese Weise ergibt sich eine optimierte Wirkung der Lorentzkraft
auf den gezündeten Lichtbogen. Die Bewegungsrichtung des Lichtbogens erfolgt parallel
zur Längs- bzw. Zylinderachse, wobei der Lichtbogen senkrecht zu vorerwähnten Achse
zündet. Durch diese Stromrichtungsumkehr ergibt sich eine reduzierte Isolationsstrecken-Belastung
infolge der schnellen, von der Isolationsstrecke weg gerichteten Bewegung des Lichtbogens.
Bezugszeichenliste
[0068]
- 1, 2
- äußere Ableiteranschlüsse
- 3
- Innenelektrode
- 3.1
- Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr an der Innenelektrode
- 4
- Außenelektrode
- 4.1
- Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr an der Außenelektrode
- 5
- Isolationsstrecke
- 6
- Lichtbogen
- F
- Lorentzkraft
- 7
- Hilfselektrode
- 8
- Abschnitt
- 9
- Kammer
- 10
- Ring
- 10.1
- Einlaßschlitze
- 11
- Wände
- 11.1
- Durchbrechungen in den Wänden
- 12
- ferromagnetisches Material
- 13
- Isolationsrand
- 14
- Einzelelektroden
- 20, 100
- axiale, stirnseitige Stromzuführung
- 30, 40
- stromrichtungsumkehrend ausgebildete Elektroden
- 60
- Lichtbogen
- 70
- Hilfselektrode
- 80
- Prallblech
1. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter mit einer Funkenstrecke innerhalb der
Kapsel, wobei diese eine rotationssymmetrische, insbesondere Zylinderform aufweist,
weiterhin die Funkenstrecke zwei Elektroden und mindestens einen Isolationsabschnitt
umfaßt, die Elektroden jeweils mit einer bevorzugt stirnseitig oder gegenüberliegend
angeordneten, externen Stromzuführung in Verbindung stehen und die Stromzuführungen
mindestens einen Teil der Kapsel bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens eine der Elektroden eine Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr oder zur
Stromrichtungsänderung innerhalb der Kapsel aufweist oder stromrichtungsumkehrend
oder -ändernd ausgebildet ist.
2. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine stabförmige Innenelektrode von einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Außenelektrode
beabstandet umgeben ist, wobei die Innenelektrode einen axialen Verlauf aufweist,
die Außenelektrode an ihrer Innenseite die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr umfaßt,
welche als leitfähiger ringförmiger Körper, Gitter oder Hohlzylinder ausgebildet ist,
der mit der Außenelektrode nur am stromzuführungsseitig entfernten Ende dieser elektrisch
kontaktiert ist, wobei der Lichtbogen nach Zündung im Ableitfall im wesentlichen senkrecht
zur Achse der Innenelektrode brennt und sich parallel zu dieser Achse bewegt.
3. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine stabförmige Innenelektrode von einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Außenelektrode
beabstandet umgeben ist, wobei die Innenelektrode einen axialen Verlauf aufweist und
die Innenelektrode die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr umfaßt, welche als leitfähiger,
ringförmiger Körper, Gitter oder Hohlzylinder ausgebildet ist, der mit der Innenelektrode
nur am stromzuführungsseitig abgewandten Ende dieser kontaktiert ist, wobei der Lichtbogen
nach Zündung im Ableitfall im wesentlichen senkrecht zur Innenelektrodenachse brennt
und sich parallel zu dieser Achse bewegt.
4. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Außenelektrode eine Topfform aufweist, wobei der offene Teil des Topfes den Isolationsabschnitt
aufnimmt, welcher die Innenelektrode trägt, und weiterhin über den Isolationsabschnitt
eine Hilfselektrode eingebracht ist.
5. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Außenelektrode eine Topfform aufweist, wobei am offenen Teil des Topfes ein umlaufender
Isolationsrand mit nachgeordneter Hilfselektrode befindlich ist.
6. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Isolationsrand radial bezogen auf die Hilfselektrode nach innen übersteht.
7. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hilfselektrode rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
8. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hilfselektrode eine Ringform aufweist.
9. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Außenelektrode eine Topfform aufweist, wobei bevorzugt im stromzuführungsseitig
entfernten Ende dieser eine gegen die Hauptelektrode isolierte Hilfselektrode mit
separater Stromzuführung vorgesehen ist.
10. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hilfselektrode als Stiftelektrode ausgebildet ist.
11. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Aufteilung des Lichtbogens zwischen Innen- oder Außenelektrode und der jeweiligen
Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr eine axial verlaufende Hülse aus einem abbrandfesten
Material angeordnet ist, welche über einen hochohmigen Bereich als Einsatzstück im
Isolationsabschnitt mit der Innenoder Außenelektrode verbunden ist.
12. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hülse aus einem ferromagnetischen Material besteht.
13. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hülse als Trennwand ausgebildet ist und aus einem Widerstandsmaterial, metallisiertem
leitfähigem Polymer oder aus einem Material mit nichtlinearem Strom-/Spannungsverhalten
besteht.
14. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Aufteilung des Lichtbogens zwischen Innen- oder Außenelektrode und der jeweiligen
Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr eine axial velaufende Hülse aus einem abbrandfesten
Material angeordnet ist, welche in Lichtbogen-Bewegungsrichtung von der Zündstelle
beabstandet ist.
15. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hülse an ihrer zur Zündstelle gerichteten Seite Einlaufschlitze aufweist.
16. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Hülse aus einem ferromagnetischen Material besteht.
17. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand zwischen Innen- und Außenelektrode in Lichtbogen-Bewegungsrichtung kontinuierlich
oder diskontinuierlich vergrößert ausgestaltet ist.
18. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Elektroden und/oder die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr an ihren zur Lichtbogen-Brennseite
gerichteten Oberflächen mindestens abschnittsweise Ansatzstrukturen zur Beschleunigung
der Laufbewegung des Lichtbogens aufweisen.
19. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Innen- oder Außenelektrode und der jeweiligen Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr
isolierende Wände eingebracht sind, welche in Lichtbogen-Laufrichtung orientierte
Kammern bilden.
20. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wände der Kammern aus einem gasabgebenden Isolationsmaterial bestehen.
21. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 19 oder 20,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Wände Durchbrechungen oder Schlitze aufweisen.
22. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Außen- oder Innenelektrode mit ferromagnetischem Material hinterlegt ist/sind.
23. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr eine aufgeteilte Elektrode ist, die sich
vom stromzuführungsseitig fernen Ende als Stab, Scheibe oder Wand zur gegenüberliegenden
Elektrode erstreckt oder richtet und dann im wesentlichen parallel zur Längsachse
dieser gegenüberliegenden Elektrode verläuft.
24. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zwei Hauptelektroden im wesentlichen gegenüberliegend und rotationssymmetrisch
ausgebildet sind, wobei die jeweilige stirnseitige Stromzuführung im wesentlichen
axial angeordnet ist, weiterhin die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr radial außen
an der jeweiligen Hauptelektrode angeschlossen ist, dann axial in Richtung zur gegenüberliegenden
Elektrode sowie abgewinkelt zur Längsachse der Anordnung verläuft.
25. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr mindestens ein leitfähiger Finger ist.
26. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr eine Kreisringform oder eine Kreisringsegmentform
aufweist, wobei zwischen dem Kreisring oder dem Kreissegment und der jeweiligen Hauptelektrode
mindestens ein leitfähiger Verbindungssteg im radialen Außenbereich vorgesehen ist.
27. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere benachbarte Kreissegmente vorgesehen sind, welche jeweils einen Verbindungssteg
aufweisen.
28. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 25 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zueinander weisenden Oberflächen der Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr von
radial außen nach radial innen einen sich vergrößernden Abstand besitzen.
29. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 25 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, daß
radial außenseitig zwischen den Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr mindestens
eine Zünd- oder Triggerhilfselektrode angeordnet ist.
30. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 26 bis 29,
dadurch gekennzeichnet, daß
im freien zentrischen Mittelpunktsbereich, in axialer Richtung verlaufend, Prallbleche
zur Aufteilung des Lichtbogens oder mindestens eine Lichtbogen-Kühleinrichtung vorgesehen.
31. Gekapselter, druckfester Überspannungsableiter nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Vielzahl von leitfähigen Fingern umfangsseitig verteilt, von radial außen nach
radial innen reichend, angeordnet sind.