Gasgefüllte Trennfunkenstrecke

Abstract

 Eine Trennfunkenstrecke mit erhöhter Fehlersicherheit besteht aus einer Metallhülse (1, 2), in der hintereinander ein an sich bekannter gasgefüllter Überspannungasableiter (3), ein elektrisch leitfähiger Schmelzkörper (8) und ein leichtschmelzendes, hochisolierendes Material (9) so angeordnet sind, daß im Normalfall keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Elektroden (4, 5) des Überspannungsableiters (3) besteht. Bei anhaltender Überlastung des Überspannungsableiters (3) schmilzt der Schmelzkörper (8), wobei das leichtschmelzende Material (9) als Flußmittel dient und stellt lagenunabhängig außerhalb des Überspannungsableiters (3) eine galvanische Verbindung zwischen den Elektroden (4, 5) her.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine gasgefüllte Trennfunkenstrecke gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Solche Trennfunkenstrecken sind allgemein bekannt. Ihre wesentliche Aufgabe besteht darin, Geräte gegen Überspannungen, die durch Blitzschlag, Hochspannungsleitungskontakt o.ä. entstehen zu schützen oder zu verhindern, daß in erdverlegten Metallstrukturen, die kathodisch gegen Korrosion geschützt sind, z.B. in Erdgasleitungen, unterirdischen Tankanlagenn etc., induzierte Ströme auftreten, welche die Isolation der Leitungen zerstören oder Menschen gefährden.

[0002] Diese Aufgabe können sie dadurch erfüllen, daß sie im Prinzip aus zwei Elektroden bestehen, die sich in kurzem Abstand in einem isolierten Gehäuse gegenüberstehen und im Normalfall elektrisch leitfähige Anlagenteile trennen. Bei Auftreten von Überspannungen, welche die Anlage gefährden könnten, zündet die Funkenstrecke durch und die Anlagenteile werden vorübergehend leitend miteinander verbunden.

[0003] Das Auftreten einer anhaltenden Überlast kann aber den Durchgang hoher Ströme durch die Trennfunkenstrecke bewirken, was die Zerstörung der Überspannungsschutzvorrichtung zur Folge haben kann und eine erhebliche Brandgefahr darstellt.

[0004] Zur Vermeidung dieser Gefahr werden schmelzbare Elemente verwendet, die bei Auftreten solcher Überlasten schmelzen und entweder einen dauernden Kurzschluß am oder im Überspannungsableiter hervorrufen oder einen anderen Mechanismus, z.B eine federbelastete Kurzschlußschiene, auslösen, welche die Kurzschlußverbindung herstellt; diese Vorrichtungen werden als "Failsafe-Einrichtungen" bezeichnet.

[0005] Ein Beispiel für eine Failsafe-Einrichtung, bei der innerhalb eines gasgefüllten Überspannungsableiters eine Kurzschlußverbindung geschaffen wird, ist die DE-A1-28'28'591, bei der mindestens eine der im Abstand voneinander angeordneten Elektroden mit einem Metallplättchen versehen ist, das bei Überlastung schmilzt und eine galvanische Verbindung zwischen den Elektroden herstellt.

[0006] Ein weiteres Beispiel für einen Überspannungsableiter mit einer inneren Kurzschlußverbindung ist die DE-A1-26'21'074, bei der die eine Elektrode an der Durchführungsstelle durch die Umhüllung von einem Material umgeben ist, das bei Überlastung erweicht, so daß die Elektrode durch den gegenüber der Außenluft geringeren Innendruck nach innen gezogen wird und mit der anderen Elektrode einen Kurzschluß bildet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann mindestens eine der Elektroden zusätzlich mit einem bei Überlastung schmelzenden metallischem Material versehen sein.

[0007] Eine Failsafe-Einrichtung mit einem äußeren Kurzschlußmechanismus ist in der DE-A-27'38'077 beschrieben. Bei dieser Einrichtung ist parallel zu dem ionisierbaren Spalt eine Zusatzluftspaltvorrichtung gelegt, die eine Schmelzvorrichtung aus schmelzbarem Material aufweist, welches im Falle einer anhaltenden Überspannung schmilzt und einen geschmolzenen Pfad aus stromleitendem Material zwischen den Elektroden der Überspannungsschutzvorrichtung herstellt.

[0008] In der DE-A1-19'22'823 ist eine weitere Failsafe-Einrichtung mit einem äußeren Kurzschlußmechanismus beschrieben. Bei dieser Einrichtung ist neben der einen Elektrode eine Weichlotpille angeordnet, die einen Bügel, der in elektrisch leitender Verbindung mit der anderen Elektrode steht, im Betriebszustand im Abstand von der ersten Elektrode hält. Bei Erwärmung des Überspannungsableiters durch Überlastung schmilzt die Weichlotpille und der Bügel führt durch Berührung mit der ersten Elektrode den äußeren Kurzschluß herbei.

[0009] An Stelle einer Weichlotpille kann auch eine Lotplatte verwendet werden. Beispielsweise ist in dem DE-U1-89'10'382 ein ein Knopfableiter zum Ableiten von Überspannungen beschrieben, der in einen Halter mit sich gegenüberliegenden Kontaktfedern eingesetzt ist und bei dem mindestens auf der einen Seite zwischen dem metallischen Endstück des Knopfableiters und der Kontaktfeder eine Lotplatte angeordnet ist. Die zuletztgenannten Failsafe-Einrichtungen haben gemeinsam, daß die Kurzschlußverbindung nicht durch das Material des metallischen Lots erfolgt, sondern daß durch das Schmelzen des Lots eine zusätzliche Vorrichtung den elektrischen Kontakt bewirkt.

[0010] Ein wesentlicher Nachteil der bisher bekannten Trennfunkenstrecken besteht darin, daß sie bei kleinen (<20 A) und bei großen Strömen (>2 kA) keinen sicheren Kurzschluß geben.

[0011] Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Trennfunkenstrecke zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Trennfunkenstrecken vermeidet und insbesondere eine Trennfunkenstrecke zu schaffen, die bei einfacher Konstruktion auch bei Strömen <20 A und >2 kA sicheren Kurzschluß gibt.

[0012] Diese Aufgabe wird bei einer Trennfunkenstrecke der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

[0013] Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Trennfunkenstrecke besteht darin, die die äußere elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden herstellende Vorrichtung aus einer Metallhülse, vorzugsweise einer Hülse aus Stahl oder einer Kupferlegierung, z.B. Messing, und einer auf die eine Metallelektrode als Schmelzkörper aufgebrachten Lotmasse herzustellen und den freien Raum zwischen dem Überspannungsableiter, der Elektrode und dem Schmelzkörper auf der einen Seite und der Metallhülse auf der anderen Seite mit einem leichtschmelzenden, isolierenden Material, vorzugsweise aus einem Polyethylenwachs, auszufüllen. Dieses isolierende Material verhindert die Ausbildung eines Mikroklimas im Inneren der Trennfunkenstrecke; außerdem dient es als Flußmittel für den Schmelzkörper.

[0014] Die aus einem topfförmigen Teil und einem Deckel bestehende Metallhülse kann so ausgebildet sein, daß bei einer Explosion des Überspannungsableiters, die bei Überlastung des Überspannungsableiters mit Strömen von >5 kVA erfolgen kann, keine Teile nach außen dringen können, dadurch wird eine Gefährdung und/oder Verschmutzung der Umgebung wirksam verhindert.

[0015] Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Figur 1

eine erfindungsgemäße Trennfunkenstrecke und

Figur 2

eine erfindungsgemäße Trennfunkenstrecke in explosionsgeschützer Ausführung.

[0016] Die in Figur 1 dargestellte gasgefüllte Trennfunkenstrecke besteht im wesentlichen aus einer Messinghülle, die aus einem topfförmigen Teil 1 und einem aufgesetzten Deckelteil 2 besteht. In die Messinghülle 1, 2 ist ein üblicher gasgefüllter Überspannungsableiter 3 so eingesetzt, daß er auf der einen Seite genau in den topfförmigen Teil 1 der Messinghülle paßt, daß auf der anderen Seite jedoch zwischen dem Überspannungsableiter 3 und oberen Teil des topfförmigen Teils 1 und dem Deckel der Messinghülle 1, 2 ein Zwischenraum verbleibt.

[0017] Der Überspannungsableiter besteht aus zwei Metallelektroden 4, 5, die mit einem emissionsfördernden Überzug versehen und in ein Keramikröhrchen, das mit einem Edelgas gefüllt ist, eingebaut sind. Beim Auftreten von Überspannungsbedingungen wird in bekannter Weise ein stromleitender Pfad zwischen den Elektroden ausbildet. Dies ist jedoch nicht Gegenstand des vorliegenden Patentes und daher nicht im einzelnen dargestellt.

[0018] Die Metallelektroden 4, 5 des gasgefüllten Überspannungsableiters 3 sind jeweils mit elektrischen Anschlüssen 6, 7 verbunden, die zur besseren Wärmeableitung als kompakte Metallanschlüsse ausgebildet sind. Auf der dem Deckel 2 der Messinghülse zugewandten Elektrode 5 befindet sich ein Schmelzkörper 8, der die gesamte Oberfläche der Elektrode 5 bedeckt und etwa den gleichen Durchmesser wie die Elektrode 5 hat. Der Schmelzkörper 8 besteht aus einem elektrisch leitenden, leichtschmelzenden Material, beispielsweise aus einer Zinn/Blei-Legierung (Sn/Pb 60/40), die bei etwa 185°C schmilzt. Durch die Wahl einer geeigneten Materialzusammensetzung kann eine beliebige Schmelztemperatur für den Schmelzkörper 8 erreicht werden.

[0019] Der freie Raum zwischen dem Überspannungsableiter 3, der Elektrode 5 und dem Schmelzkörper 8 auf der einen Seite und der Messinghülse 1, 2 auf der anderen Seite ist mit einem leichtschmelzenden, hochisolierenden Material 9 gefüllt. Dieses Material, z.B. ein Polyethylenwachs (AL 61, AH3, EAS 1 oder EVA 1 der Firma BASF), weist einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das Metall des Schmelzkörpers. Wichtig ist, daß das isolierende Material 9 in enger räumlicher Verbindung mit dem Schmelzkörper 8 steht, da eine wichtige Aufgabe dieses Materials darin besteht, als Flußmittel für den Schmelzkörper 8 zu dienen.

[0020] Der freie Raum zwischen der Öffnung im Deckel 2 der Messinghülse und dem Metallanschluß 7 ist mit einer Dichtung 10 aus hochisolierendem Kunststoff (z.B. Polytetrafluorethan) verschlossen. Durch das hochisolierende Material 9 und die Dichtung 10 aus isolierendem Kunststoff ist sichergestellt, daß im Normalzustand keine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Elektrode 5 und der Messinghülse 1, 2, die in gutem elektrischen Kontakt mit der anderen Elektrode 4 steht, vorhanden ist. Eine weitere Funktion des isolierenden Materials 9 besteht darin, die Ausbildung eines Mikroklimas innerhalb der Trennfunkenstrecke zu verhindern; außerdem verhindert es das Eindringen von Dichtungsmasse in das Innere der Trennfunkenstrecke.

[0021] Zum Schutz der Trennfunkenstrecke gegen Korrosion und als Berührungsschutz ist dieMetallhülse 1, 2 mit einem eng anliegenden Schrumpfschlauch 13 aus einer thermoplastischen Kunstoffolie (z.B. auf der Basis von Polyethylenterephthalat [PETP] oder Polyvinylchlorid [PVC]) umgeben. Da der Schrumpfschlauch 13 nur in einem bestimmten Verhältnis geschrumpft werden kann, sind an beiden Enden der Trennfunkenstrecke um die Metallanschlüsse 6, 7 herum zwei Kunststoffflansche 11, 12, angeordnet, um einen sicheren Abschluß des Schrumpfschlauches 13 zu gewährleisten.

[0022] Im folgenden wird an Hand des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Trennfunkenstrecke erläutert. Beim Auftreten einer anhaltenden Überlast erwärmt sich der Überspannungsableiter 3 und der Schmelzkörper 8 beginnt zu schmelzen. Gleichzeitig schmilzt auch das leichtschmelzende, isolierende Material 9. Dadurch wird lagenunabhängig eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der einen Elektrode 5 und der Messinghülse 1, 2 - und damit zwischen den beiden Elektroden 4, 5 - hergestellt.

[0023] Damit ist ein sicherer Kurzschluß bei schwachen Strömen (<20 A) gewährleistet (Failsafe), und auch bei starken Strömen (>2 kA) erfolgt eine sichere Kurzschlußbildung; bei Zerstörung der Trennfunkenstrecke ist ein Schutz der Umgebung gewährleistet.

[0024] In der Figur 2 ist eine Trennfunkenstrecke in explosionsgeschützter Ausführung dargestellt. Die Metallelektroden 4, 5 des Überspannungsableiters 3 sind auf beiden Seiten mit Stahlbolzen 14, 15 verschweißt, die als elektrische Anschlüsse dienen. Der Überspannungsableiter 3 befindet sich in einer aus einem topfförmigen Teil 1 und einem Deckel 2 bestehenden Metallhülse, die in diesem Fall aus Stahl gefertigt ist. Auf der dem Deckel 2 der Metallhülse zugewandten Elektrode 5 befindet sich ein Schmelzkörper 8, der die gesamte Oberfläche der Elektrode 5 bedeckt und etwa den gleichen Durchmesser wie die Elektrode 5 hat. Der Schmelzkörper 8 besteht aus einem elektrisch leitenden, leichtschmelzenden Material, beispielsweise aus einer Zinn/Blei-Legierung (Sn/Pb 60/40), die bei etwa 185°C schmilzt. Durch die Wahl einer geeigneten Materialzusammensetzung kann eine beliebige Schmelztemperatur für den Schmelzkörper 8 erreicht werden.

[0025] Der freie Raum zwischen dem Überspannungsableiter 3, der Elektrode 5 und dem Schmelzkörper 8 auf der einen Seite und der Stahlhülse 1, 2 auf der anderen Seite ist mit einem leichtschmelzenden, hochisolierenden Material 9 gefüllt. Dieses Material, z.B. ein Polyethylenwachs (AL 61, AH3, EAS 1 oder EVA 1 der Firma BASF), weist einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das Metall des Schmelzkörpers 8. Wichtig ist, daß das isolierende Material 9 in enger räumlicher Verbindung mit dem Schmelzkörper 8 steht, da eine wichtige Aufgabe dieses Materials darin besteht, als Flußmittel für den Schmelzkörper 8 zu dienen.

[0026] Das ganze, d.h. die Stahlhülse 1, 2 mit dem darinbefindlichen Überspannungsableiter 3, befindet sich in einem auf einer Seite offenen zylindrischen Gehäuse 16 aus Metall, vorzugsweise aus Stahl. Der eine als elektrischer Anschluß dienende Stahlbolzen 14 endet in einer mit dem Stahlgehäuse 16 verschweißten Stahlmuffe 17, der andere Stahlbolzen 15 ist mit einem weiteren Stahlbolzen 19 verschraubt. Das Stahlgehäuse 16 ist vollständig mit einer Vergußmasse 18, beispielsweise aus einem Epoxidharz, gefüllt. Diese Epoxidmasse bildet gleichzeitig den Verschluß des Gehäuses 16. Sie umschließt das Ende des Stahlbolzens 15 und den Ansatz des weiteren Stahlbolzens 19 in Form eines massiven Zylinders, der den Verschluß des Gehäuses 16 und gleichzeitig die elektrische Isolation zwischen dem Metallgehäuse 16 und den Anschlußbolzen 15, 19 bildet. Zur Verlängerung der Isolationsstrecke kann die Oberfläche der zylinderförmigen Vergußmasse 18 mit kreisförmig um den Zylinder herumlaufenden Rillen versehen sein.

[0027] Abwandlungen der vorbeschriebenen Konstruktion sind im Rahmen der Erfindung gemäß den Ansprüchen möglich und dem Fachmann geläufig.

Ansprüche

1. Trennfunkenstrecke mit einem Überspannungsableiter (3), der in einem gasgefüllten Gehäuse im Abstand einander gegenüberstehende Elektroden (4, 5) aufweist, zwischen denen bei Auftreten von Überspannungsbedingungen eine elektrisch leitende Verbindung entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Überspannungsableiters (3) eine bei Überlastung des Überspannungsableiters (3) eine galvanische Verbindung zwischen den beiden Elektroden (4, 5) herstellende Vorrichtung (1, 2, 8) vorgesehen ist, die aus einer den Überspannungsableiter (3) umhüllenden, mit dessen einer Elektrode elektrisch leitend in Kontakt stehenden Metallhülse (1, 2) und einem von der Metallhülse (1, 2) elektrisch isolierten und mit der anderen Elektrode (5) in elektrisch leitendem Kontakt stehenden Schmelzkörper (8), der bei einer anhaltenden Überlastung des Überspannungsableiters schmilzt, gebildet wird.

2. Trennfunkenstrecke gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die äußere Verbindung zwischen den Elektroden (4, 5) herstellende Vorrichtung (1, 2, 8) aus einer Messinghülse (1, 2) und einem auf die eine Metallelektrode als Schmelzkörper (8) aufgebrachten Lotmasse besteht und daß der freie Raum zwischen dem Überspannungsableiter (3), der Elektrode (5) und dem Schmelzkörper (8) auf der einen Seite und der Messinghülse (1, 2) auf der anderen Seite mit einem leichtschmelzenden, isolierenden Material (9), vorzugsweise aus einem Polyethylenwachs, gefüllt ist.

3. Trennfunkenstrecke gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende Material (9) in enger räumlicher Verbindung mit dem Schmelzkörper (8) steht.

4. Trennfunkenstrecke gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Berührungsschutz auf beiden Enden der Trennfunkenstrecke ein Kunststoffflansch (12, 13) angebracht ist und daß die Trennfunkenstrecke mit einem Schrumpfschlauch (13), vorzugsweise aus Polyethylenterephthalat, Polyethylen oder Polyvinylchlorid, umhüllt ist.

5. Trennfunkenstrecke gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich in einem zylinderförmigen Gehäuse (16) aus Metall, vorzugsweise aus Stahl, aus dem die elektrischen Anschlüsse (6, 7) über Stahlbolzen (14, 15, 19) nach außen geführt werden und daß das Gehäuse (16) mit einer Vergußmasse (18), vorzugsweise aus einem Epoxidharz, gefüllt ist.

6. Trennfunkenstrecke gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem topfförmigen Teil (1) und einem Deckel (2) bestehende Metallhülse so ausgebildet ist, daß bei einer Explosion des Überspannungsableiters (3) keine Teile nach außen dringen können, so daß eine Gefährdung und oder Verschmutzung der Umgebung wirksam verhindert wird.

Zeichnung