[0001] Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung auf Funkenstreckenbasis,
umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektroden
sowie mindestens eine Zündhilfselektrode, wobei im Gehäusevolumen eine Funktionsbaugruppe
zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke untergebracht ist, welche mit
einer der Hauptelektroden und der Zündhilfselektrode in Verbindung steht, gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
[0002] Der Trend bei der Entwicklung elektrischer und elektronischer Anlagen geht hin zu
größerer Kompaktheit und geringeren Außenabmessungen. Gleichzeitig steigt aber die
Empfindlichkeit gegenüber inneren und äußeren Überspannungen derartiger Anlagen. Darüber
hinaus besteht der Wunsch und auch die Notwendigkeit nach einem möglichst störungsfreien
Betrieb von elektrischen und elektronischen Einrichtungen, woraus sich neue Anforderungen
an die Überspannungsschutztechnik ergeben.
[0003] So sind Überspannungsableiter mit reduzierter Ansprechspannung z. B. aus der DE 199
52 004 A1 oder der DE 198 03 636 A1 bekannt geworden. Um die Anlagen noch kompakter
zu gestalten, verstärkt sich in den letzten Jahren die Tendenz, Blitzstromableiter
zum Grobschutz und Überspannungsableiter zum Feinschutz ohne die früher übliche Entkopplung
über Kabelstrecken bzw. durch speziell bemessene Induktivitäten direkt räumlich nebeneinander
anzuordnen.
Damit das leistungsschwächere Feinschutzelement nicht zwangsweise bei einer solchen
kompakten Anordnung überlastet wird, ergeben sich spezielle Anforderungen an den Blitzstromableiter
bzw. das Grobschutzelement.
[0004] Zur Realisierung dieser Aufgabenstellung wurde es bekannt, separate und extern an
die Blitzstromableiter auf Funkenstreckenbasis angekoppelte, zum Teil recht komplexe
Zündhilfen einzusetzen. Gemäß DE 199 52 004 A1 übernehmen diese Zündhilfen unter bestimmten
Bedingungen auch Funktionen oder Teilfunktionen des Feinschutzes.
[0005] Im Allgemeinen sind die Zündhilfen bei leistungsfähigen Überspannungsableitern für
den Einsatz in Niederspannungsnetzen zwischen L und N bzw. auch N und PE als aktive
Zündhilfen ausgeführt. Diese Zündhilfen generieren mit Hilfe eines Impulsübertragers
eine hohe Zündspannung, durch welche bei einer typischen Dreielektroden-Funkenstreckenanordnung
eine der Teilstrecken überschlagen wird.
Nachteilig bei einer solchen Lösung ist einerseits der zum Teil beachtliche Platzbedarf
der Zündhilfe, die in der Regel aus einer Vielzahl von Bauelementen besteht, und andererseits
die sich daraus ergebenden Störfaktoren.
[0006] Der Platzbedarf dieser Zündeinrichtung schränkt bei den relativ geringen Abmessungen
der Überspannungsableiter die konstruktiven Möglichkeiten für das Hauptfunktionselement,
nämlich die eigentliche Funkenstrecke ein. Diese Einschränkung betrifft nicht nur
das allgemein zur Verfügung stehende Volumen, sondern auch die Notwendigkeit der erforderlichen
zusätzlichen Kontaktierung einer dritten Elektrode.
[0007] Gegenüber einer einfachen Funkenstrecke ohne Zündhilfe ergibt sich derzeit eine Vielzahl
an zusätzlichen Störquellen.
In der Funkenstrecke an sich muss nicht mehr nur die Funktion einer Trennstrecke gewährleistet
werden, sondern die Funktion von zwei oder sogar drei Trennstrecken zwischen der Dreielektroden-Anordnung.
Kommt es zu Schädigungen einer dieser Trennstrecken, besteht die Gefahr des Versagens
des Ableiters. Hierbei kann es zu Schäden innerhalb der Funkenstrecke, aber auch der
Zündhilfe selbst kommen. Dies kann insbesondere bei Überlastungen der Zündhilfe schnell
zu einer Zerstörung des gesamten Ableiters und zu einer Gefährdung benachbarter Elemente
führen. Selbiges ist jedoch nicht nur bei Beschädigungen innerhalb der Funkenstrecke,
sondern auch bei Störungen wie Erschütterungen, Schwingungen, Abbrand, mangelhafte
Installation und so weiter, Beschädigungen oder Korrosion der Kontakte der Zündeinrichtung
mit den Hauptanschlüssen bzw. den Verbindern zur Funkenstrecke durchaus möglich.
Schlechte oder gealterte Kontaktstellen können außerhalb der Funkenstrecke zur Funkenbildung
und letztendlich zum Außenüberschlag der Funkenstrecke führen.
[0008] Zwar gibt es durchaus Möglichkeiten, die Zündhilfen vor Überlastung zumindest teilweise
zu schützen, jedoch bedeuten solche Maßnahmen, wie beispielsweise in der DE 199 14
313 A1 gezeigt, nur weiteren, kostenintensiven Aufwand und Platzbedarf.
[0009] Bei all den oben erläuterten Schwierigkeiten ist jedoch eine Zündhilfe für gewünschte
tiefe Schutzpegel unabdingbar. Die allgemeine Reduktion des Abstands der Hauptelektroden,
wie dies bei älteren Geräten des Standes der Technik der Fall war, ist bei modernen
Ableitern nicht zielführend, da bei den üblichen geometrischen Bedingungen die erforderlichen
Abstände nicht realisierbar sind bzw. diese eine deutliche Verschlechterung der erreichbaren
Stoßstromwerte bedeuten.
[0010] Bei der gattungsbildenden DE 101 57 817 A1 wird eine Anordnung für eine Trennfunkenstrecke
vorgestellt, bei welcher eine konventionelle aktive Zündhilfe mit einem Impulsübertrager
in einem von den Elektroden kammerförmig umschlossenen Gehäuse integriert ist.
[0011] Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass eine aktive Zündhilfe notwendig ist,
wodurch der Platzbedarf und die Störanfälligkeit steigen. Diese sichere Funktionsweise
aktiver Zündhilfen wird z.B. unter anderem durch Veränderung der Ansprechwerte und
des Isolationswerts der einzelnen Trennstrecken gestört. Da diese Erscheinungen mit
der Anzahl und der Höhe der Belastungen zunehmen, kann dies zur thermischen Überlastung
bzw. sogar zum Versagen der Zündhilfe führen. Die Gefahr der thermischen Überlastung
erhöht sich bei der oben erwähnten Anordnung zusätzlich durch die mangelnde Kühlung
bzw. auch durch die Aufheizung infolge des Leistungsumsatzes in der Funkenstrecke
und damit der Zündeinrichtung bei Belastungen.
[0012] Die Ausführung der Elektroden gemäß DE 101 57 817 A1 müsste zudem relativ groß sein,
damit einerseits die Zündhilfe aufgenommen werden kann und andererseits die Zündhilfe
vor einer Temperatureinwirkung der thermisch stark belasteten Elektroden geschützt
ist. Des weiteren besteht die Notwendigkeit des Kraftschlusses zur Herstellung reproduzierbarer
Abstände der Teilfunkenstrecken zwischen den Elektroden, wodurch die Zündhilfe nicht
nur thermisch, sondern auch durch mechanische Kräfte belastet wird.
Ebenfalls treten starke dynamische Belastungen zwischen den Elektroden beim Ansprechen
der Funkenstrecke auf. Weitere Einschränkungen ergeben sich bei dieser Anordnung bei
dem Einsatz in einer Funkenstrecke für Netzanwendungen. Im Gegensatz zur Trennfunkenstrecke
müssen Netzfunkenstrecken Folgeströme im kA-Bereich beherrschen und lösen, wodurch
nicht nur weitere und insbesondere länger einwirkende thermische Belastungen auftreten,
sondern auch entsprechende Folgestrom löschende bzw. sogar Folgestrom begrenzende
Maßnahmen realisiert werden müssen. Insbesondere hinsichtlich der Möglichkeiten zur
Begrenzung des Netzfolgestroms in konventionellen Abmessungen der Überspannungsableiter
für Netzanwendung, welche im Allgemeinen kleiner als Trennfunkenstrecken sind, führt
eine Anordnung, wie in der DE 101 57 817 A1 vorgestellt, zu extremen Einschränkungen
bei der Wahl einer geeigneten Methode zur Strombegrenzung.
[0013] In der DE 195 10 181 A1 wird eine Zündhilfe aus einer ersten Funkenstrecke, welche
der Zündung eines Überschlags dient, und einer zweiten Funkenstrecke, welche der ersten
parallel geschaltet ist und der Löschung des Folgestroms dient, vorgestellt. Weiterhin
wird dort auf die Integration einer passiven, einfachen Zündhilfe in einer Funkenstrecke
verwiesen. Bei den dargestellten Funkenstrecken dient die erste Funkenstrecke der
Einstellung der Ansprechspannung und der entstehende Funke der Vorionisation der zweiten,
längeren und stromtragfähigeren Funkenstrecke. Infolge der Vorionisation und des Spannungsabfalls
über der mit der Funkenstrecke in Reihe geschalteten Impedanz wird die zweite Funkenstrecke
gezündet. Die zweite Funkenstrecke besitzt im Gegensatz zur ersten Funkenstrecke eine
hohe Stoßstrom-Tragfähigkeit und ein gutes Folgestrom-Löschvermögen.
Nachteilig ist bei dieser Lösung jedoch, dass die erste Funkenstrecke den thermischen
Belastungen infolge des Lichtbogens und auch den Verunreinigungen infolge der Belastungen
ausgesetzt ist. Das Einhalten von niedrigen und nahezu konstanten Ansprechspannungen
wird hierdurch erschwert oder unmöglich. Bei einer räumlich getrennten Anordnung von
erster und zweiter Funkenstrecke kann zwar die Einhaltung eines niedrigen Ansprechwerts
gewährleistet werden, nachteilig ist jedoch, dass auf die Vorionisation der zweiten
Funkenstrecke zur Herabsetzung der Ansprechspannung verzichtet werden muss. Dadurch
muss der Spannungsabfall über der Impendanz bis zum Erreichen der unverminderten Ansprechspannung
der zweiten Funkenstrecke erhöht werden. Sollen niedrigere Ansprechwerte der gesamten
Funkenstrecke erreicht werden, wird die Wahl und die Leistungsfähigkeit der zweiten
Funkenstrecke nach DE 195 10 181 C1 eingeschränkt.
[0014] Gemäß der Stapelfunkenstrecke für Mittel- und Hochspannungsanwendungen nach US 3,223,874
weisen einzelne Funkenstrecken eine Zündhilfe zur Vorionisation auf. Diese Anordnung
kann zumindest teilgekapselt ausgeführt werden. Eine derartige Art der Funkenstrecken
ist jedoch nur für geringe Stoßstrombelastungen 8/20 µs ausgelegt und kann den Drücken
und den Krafteinwirkungen von nennenswerten Blitzstoßströmen nicht standhalten. Das
bei einer solchen Anordnung teilweise vorhandene Löschvermögen für Folgeströme resultiert
zum größten Teil aus der Reihenschaltung einer Vielzahl von Teilfunkenstrecken mit
jeweils einer Zündhilfe. Ein solcher Aufwand ist für Niederspannungsanordnungen jedoch
nicht gerechtfertigt.
Die Zündhilfe ist direkt mit den jeweiligen Hauptelektroden der Funkenstrecke verbunden.
Sie besitzt keine dritte Hilfselektrode und es erfolgt keine direkte Entladung unmittelbar
zwischen den Hauptelektroden. Die Art der Vorionisation beruht dort auf Teilentladungen,
welche sich über beide Seite der Oberfläche eines vorhandenen Isolationsteils ausbreiten.
Eine Möglichkeit zu einer Funkenentladung, wie sie üblicherweise bei modernen Niederspannungs-Ableitern
genutzt wird, besteht nicht, da sich die Hilfselektroden der Zündhilfe auf entgegengesetzten
Seiten des Isolators befinden. Diese Form der Zündhilfe ist bei hohen Potentialdifferenzen
von mehreren kV für eine rasche Zündung ausreichend. Soll jedoch die Ansprechspannung
<1kV betragen, ist eine derartige Ausführungsform einer Zündhilfe nicht effizient.
Im übrigen ist die gesamte Zündhilfe schutzlos der Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt,
was sowohl zu Störungen bei deren Funktion als auch zur gänzlichen Zerstörung führen
kann.
[0015] Es sind Ausführungen mit Hilfsfunkenstrecken bekannt geworden, bei denen eine Funkenentladung
möglich ist. Bei derartigen Anordnungen wird die Entladung von der Hilfsfunkenstrecke,
bei welcher der Stromfluss durch verschiedene Maßnahmen begrenzt wird, auf die Hauptelektroden
übergeben. Bei derartigen Lösungen müsste unabhängig von der Verzugszeit bis zum Zünden
der Hauptfunkenstrecke jedoch bereits die Hilfsfunkenstrecke mit einer geeigneten
Zündhilfe ausgestattet sein, um selbst eine Ansprechspannung von z. B. <1kV zuverlässig
zu halten.
[0016] Die WO 03/021735 A1 zeigt eine vereinfachte Zündhilfe für Überspannungsableiter,
welche sich zumindest partiell im Inneren der Funkenstrecke befinden kann. Diese Zündhilfe
beruht auf einer Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements und eines sogenannten
Zündelements. Die Ansprechspannung des Ableiters wird hierbei vorteilhafterweise durch
das spannungsschaltende Element bestimmt. Die Hauptfunkenstrecke wird dadurch gezündet,
dass nach dem Zünden des spannungsschaltenden Elements ein Strom über das Zündelement
fließt, wodurch über der Hauptfunkenstrecke eine Spannung aufgebaut wird. Infolge
eines schlechten elektrischen Kontaktes zwischen dem Zündelement und einer Hauptelektrode
soll es dann zur Funkenbildung kommen. Der Funke wandert entlang des Zündelements
und verlängert sich, bis die Hauptfunkenstrecke überschlägt. Diese Lösung besitzt
funktionsbedingt wesentliche Nachteile. Das entscheidende Bauelement für eine sichere
Funktionsweise ist das sogenannte Zündelement. Dieses befindet sich entsprechend der
Funktionsweise unmittelbar im Brennraum des Lichtbogens. Es wird somit nicht nur bei
der Zündung einer elektrischen Belastung ausgesetzt, sondern während des gesamten
Ableitvorgangs. Ebenso erfolgt eine Belastung bei möglichen Folgeströmen. Dies führt
bei allen bekannten Materialien zu beträchtlichen Abschmelzungen. Hiervon sind insbesondere
Metalle, aber auch Polymere betroffen. Keramiken neigen aufgrund der starken dynamischen
Belastungen schnell zur Bruchbildung bzw. verändern infolge metallischer oder anderer
leitender Ablagerungen ihren Oberflächenoder Gesamtwiderstand. Hierdurch wird jedoch
in starkem Maße der Beginn der Funkenbildung, die elektrische Belastung des Zündelements
und der Beginn, aber auch die Geschwindigkeit der Lichtbogenwanderung entlang des
Zündelements bestimmt.
Zusätzlich wird das Zündelement bei dieser Lösung während der gesamten Lichtbogendauer,
bestehend aus Impuls- und Folgestrom, infolge der direkt parallelen Anordnung zu den
Hauptelektroden und somit zur gesamten Lichtbogenspannung mit einem Stromfluss belastet,
wodurch der elektrische und thermische Stress des Zündelements und u. U. auch des
spannungsschaltenden Elements groß ist. Eine weitere Voraussetzung für die Grundfunktion
gemäß WO 03/021735 A1 ist die notwendige Funkenbildung zwischen in elektrisch leitendem
Kontakt stehenden Teilen, nämlich der dortigen Elektrode und dem Zündelement. Es dürfte
einleuchtend sein, dass bei der dort beschriebenen Ausführungsform die Kontaktstelle
von Belastung zu Belastung selbst bei einem Federkontakt sich stets aufgrund von Schmelzerscheinungen
bzw. von nicht vermeidbaren Verschmutzungen verändert. Ein reproduzierbares Funken
an einer solchen Kontaktstelle ist somit nur sehr schwer einstellbar. Die vorerwähnten
Einschränkungen führen insgesamt zu einer sehr komplizierten Geometrie und Materialauswahl.
Des weiteren können die dynamischen und thermischen Belastungen durch den Lichtbogen
und den Folgestrom recht schnell zur Funktionsstörung bzw. zum Defekt führen.
Die eingesetzte Feder zur Kontaktherstellung und Nachführung des Zündelements kann
eventuell bei Abbrand bzw. Abbruch der Spitze des Zündelements dieses nachführen.
Jedoch kann die Feder weder einen Komplettbruch des Zündelements nach Veränderungen
der Kontaktstelle infolge der Bildung von Schmelze an der Elektrode bzw. an dem Zündelement
oder die Ablagerungen von Verunreinigungen im Kontaktbereich vermeiden. Selbstverständlich
muss auch die Feder vor Abbrandprodukten und den thermischen und dynamischen Belastungen
durch den Lichtbogen geschützt werden.
Bei einer geringen oder auch nur zeitlich verzögerten Funkenbildung erhöht sich jedoch
die Zündverzugszeit der Hauptfunkenstrecke. Einerseits kann sich dadurch die elektrische
Belastung des spannungsschaltenden Elements und auch des Zündelements deutlich erhöhen,
andererseits steigt die Spannung über dem Zündelement und somit über der gesamten
Funkenstrecke stark an. Dies gefährdet auch die zu schützenden Elemente und die gewünschten
niedrigen Restspannungswerte des Blitzstromableiters.
[0017] Ein weiterer Nachteil der zitierten Lösung besteht darin, dass der Abstand der Hauptelektroden
unmittelbar mit der Länge des Zündelements verbunden ist. Insbesondere für Netzfunkenstrecken
ist jedoch häufig ein relativ großer Hauptelektroden-Abstand vorteilhaft. Mit zunehmendem
Abstand der Hauptelektroden steigt jedoch auch die Ansprechspannung zwischen den Elektroden.
Das heißt, bei höheren Abständen muss eine stärkere Vorionisation zwischen den Hauptelektroden
erfolgen, damit es zum Überschlag bei den angestrebten niedrigen Spannungen kommen
kann. Ebenso verlängert sich die Strecke, an welcher der Funke von der schlechten
Kontaktstelle entlang wandern muss, bis er die andere Hauptelektrode erreicht. Dies
schränkt zudem auch, wie bereits erwähnt, die Wahl der üblichen Mittel zur Folgestromlöschung
bzw. -begrenzung ein.
[0018] Die Funkenstreckenanordnung nach DE 199 52 004 A1 kann sowohl mit einer aktiven als
auch mit einer stark vereinfachten passiven Zündhilfe betrieben werden. Diese Zündhilfen
befinden sich alle außerhalb der Funkenstrecke.
Im übrigen bestehen die Zündhilfen aus einer Vielzahl von Bauelementen, welche die
Aufgabe des Feinschutzes übernehmen sollen. Dies bedingt jedoch verhältnismäßig große
und leistungsfähige Bauelemente, wodurch eine Integration in die Funkenstrecke erschwert
wird. Die Aufgabe des Feinschutzes bedingt jedoch auch einen verhältnismäßig hohen
Leistungsumsatz und eine zusätzliche thermische Belastung.
Bei der passiven Zündhilfe, welche vorteilhafterweise nur aus wenigen Bauelementen
besteht, würde sich zwar der Platzbedarf reduzieren, jedoch bleibt das Problem des
Leistungsumsatzes bei der Realisierung des Feinschutzes bestehen. Nachteilig ist bei
der DE 199 52 004 A1 weiterhin, dass das Ansprechverhalten der Gesamtanordnung durch
die geometrische Ausführung der Funkenstrecke bestimmt wird. In diesem Falle definiert
somit die Ansprechspannung der kürzeren Trennstrecke die Ansprechspannung des gesamten
Ableiters. Die auf diese Weise erzielbaren Ansprechspannungen sind erfahrungsgemäß
jedoch nicht alterungsstabil und stark vom Belastungszustand der Funkenstrecke abhängig.
[0019] Auch die Integration eines PTC-Elements in die Funkenstrecke ist problematisch. Derartige
PTC-Elemente erwärmen sich aufgrund ihrer Funktionsweise um bis zu mehreren 100 K.
Eine derartige Erwärmung stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die Belastbarkeit
der Isolationselemente. Zusätzlich ist eine derartige Anwendung eines PTC-Elements
dadurch erschwert, dass dieses, um die Funktionsweise der Funkenstrecke wieder sicherzustellen,
relativ schnell nach Belastung abzukühlen ist. Eine solche Abkühlung würde jedoch
durch eine Kapselung erschwert werden.
[0020] Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Überspannungsschutzeinrichtung
auf Funkenstreckenbasis, insbesondere für Niederspannungs-Anwendungen, umfassend mindestens
zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektroden sowie mit mindestens
einer Zündhilfselektrode anzugeben, welche mögliche Störquellen zwischen Zündhilfe
und Funkenstrecke vermeidet und die prinzipiell bei allen bekannten Verfahren zur
Folgestromlöschung, Folgestrombegrenzung oder aber auch der Vermeidung von Folgeströmen
bei Funkenstrecken einsetzbar ist. Die anzugebende Lösung soll also universelle Applikationen,
und zwar unabhängig von der konkreten Elektrodengeometrie gestatten.
[0021] Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Überspannungsschutzeinrichtung
auf Funkenstreckenbasis gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei
die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
[0022] Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird von einer vereinfachten Zündhilfe ausgegangen,
welche zumindest aus einem spannungsschaltenden Element, einer Impedanz und einer
Trennstrecke besteht. Die vereinfachte Zündhilfe ist bevorzugt zwischen zwei Hauptelektroden
sowie vollständig im druckfesten Gehäuse der Überspannungsschutzeinrichtung, d.h.
in die Funkenstrecke selbst integriert und wird Bestandteil dieser. Tritt an einer
solchen Anordnung eine Überspannung auf, die die Summe der Ansprechspannungen des
Schaltelements und der Trennstrecke der Reihenschaltung übersteigt, so spricht die
Zündhilfe an, wodurch ein Strom über das spannungsschaltende Element, die Impedanz
und die zugehörige Trennstrecke von der ersten Hauptelektrode zur zweiten Hauptelektrode
fließt. Durch den Lichtbogen, welcher diese vorerwähnte Trennstrecke überbrückt, werden
sofort beim Ansprechen der Zündhilfe Ladungsträger in die Funkenstrecke eingebracht,
welche eine sofortige Ionisation der Trennstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden
bewirkt, wodurch die Spannungsfestigkeit dieser Trennstrecke reduziert wird und es
infolge des mit der Stromstärke ansteigenden Spannungsabfalls über der Impedanz es
schließlich zum Überschreiten der nun reduzierten Spannungsfestigkeit der Trennstrecke
zwischen den beiden Hauptelektroden und somit zur Zündung der Funkenstrecke kommt.
[0023] Durch die Integration in das druckfeste Gehäuse der Funkenstrecke, jedoch außerhalb
des Brennraums des Lichtbogens, werden alle externen Anschlussprobleme der Zündeinrichtung
an die Funkenstrecke beseitigt.
Die druckfeste Kapselung ist für das Beherrschen von Drücken bis zu mehreren 10 bar
infolge der Belastungen der Funkenstrecke bei Blitzen und Netzfolgeströmen ausgelegt.
Bei einer möglichen Überlastung der Zündhilfe wird das Schadenspotential somit wesentlich
durch die druckfeste Kapselung der Funkenstrecke eingegrenzt. Hierdurch entfallen
auch zusätzliche Schutzmaßnahmen der Zündhilfe selbst, wie z. B. Sicherungen oder
Ähnliches. Eine eventuell gewünschte Bewertung des Zustands des Ableiters ist ebenfalls
stark erleichtert, da nur die Gesamtfunktion, messbar an den äußeren Klemmen der Funkenstrecke,
und nicht einzelne Bauelemente, Verbindungen und Komponenten überwacht werden müssen.
[0024] Erfindungsgemäß ist also die Zündhilfs-Funktionsbaugruppe zum gezielten Reduzieren
der Ansprechspannung der Funkenstrecke aus einer vollständig in das druckdichte Gehäuse
integrierten, außerhalb des Lichtbogen-Brennraums befindlichen Reihenschaltung eines
spannungsschaltenden Elements, einer Impedanz und einer Trennstrecke gebildet, wobei
die Trennstrecke durch den Abstand der Zündhilfselektrode zur nächstliegenden Hauptelektrode
definiert ist.
[0025] Das spannungsschaltende Element kann beispielsweise ein Gasableiter sein. Ebenso
besteht die Möglichkeit, das spannungsschaltende Element als Suppressordiode, Thyristor,
Varistor und/oder als definiert abbrandfeste Luftoder Gleitfunkenstrecke auszubilden.
[0026] Die Zündhilfselektrode kann selbst impedanzbehaftet ausgeführt sein und einen komplexen
Widerstand besitzen.
[0027] Bevorzugt reicht die Zündhilfselektrode partiell in den Lichtbogen-Brennraum hinein
oder befindet sich in diesem.
Die Zündhilfselektrode kann aus einem leitfähigen Kunststoff oder einem Kunststoff
mit leitfähigen Zusätzen, wie z. B. leitfähigen Fasern bestehen.
[0028] Die Impedanz wiederum besteht aus einem Material mit nichtlinearem oder linearem
Widerstandsverlauf.
[0029] Ebenso kann die Impedanz aber auch aus einem leitfähigen Kunststoff oder einer leitfähigen
Keramik bestehen.
[0030] Auch ist eine Ausführungsform der Impedanz als diskretes Bauelement, z. B. Widerstand,
Varistor oder Kapazität im Sinne der Erfindung liegend.
[0031] Die Zündhilfselektrode ist gegenüber der Hauptelektrode isoliert, wobei die Ansprechspannungen
der sich zu den Hauptelektroden jeweils ergebenden Teilstrecken unterschiedlich gewählt
werden.
[0032] Die Ansprechspannung e
1 der ersten Hauptelektrode zur Zündhilfselektrode ist viel größer als die Ansprechspannung
der weiteren Trennstrecke e
2 gewählt.
[0033] Zur Reduzierung der Ansprechspannung der Trennstrecke e
2 ist diese als dünne, abbrandfeste Isolierfolie, als abbrandfeste Lackbeschichtung
oder sonstige dünne Isolierschicht ausgebildet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Überspannungsschutzeinrichtung
Mittel zum Beströmen des Lichtbogens mit Hartgas auf.
[0034] Zum Erzeugen des Hartgases umgibt hartgasabgebendes Material mindestens Abschnitte
des Lichtbogen-Brennraums, wobei das hartgasabgebende Material zusätzlich leitfähige
Eigenschaften aufweist, um das Potential einer der Hauptelektroden bis an die Trennstrecke
der Zündhilfselektrode heranzuführen.
[0035] Bei der Hartgas-Ausführungsvariante verhindert eine Druckausgleichsöffnung, dass
sich über die Zeit ein unerwünschter Druckanstieg akkumuliert.
[0036] Die Druckausgleichsöffnung kann durch das Gehäuse oder durch Elektrodenmaterialien
gebildet werden, welche mindestens teilweise gasdurchlässig sind.
Hierfür können Abschnitte des Gehäuses aus einem porösen Polymermaterial, poröser
Keramik oder entsprechend porösem Metall bestehen.
[0037] Die Überspannungsschutzeinrichtung kann bei einer weiteren Ausführungsform Mittel
zur Restspannungsbegrenzung aufweisen.
[0038] Hier besteht insbesondere die Möglichkeit, das leitfähige, hartgasabgebende Material,
welches elektrisch mit einer der Hauptelektroden in Verbindung steht, in einer definierten
Geometrie sowie mit definierten elektrischen Eigenschaften auszuführen, so dass die
zielgerichtete Beeinflussung des Verlaufs und der Höhe der Restspannung realisierbar
ist.
[0039] Bevorzugt ist der Widerstand des hartgasabgebenden Materials gegenüber der Impedanz
der Reihenschaltung des Funktionselements niedriger.
[0040] Das leitfähige, hartgasabgebende Material trägt während der Belastung mit Stoßstrom
als auch mit Folgeströmen einen Teil des jeweils fließenden Gesamtstroms, so dass
sich die Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung und deren Langzeitstabilität
erhöht.
[0041] Der Stromanteil, welcher vom leitfähigen, hartgasabgebenden Material übernommen wird,
ist über das Verhältnis des Widerstands dieses Materials zum Widerstandswert des Lichtbogens
quasi einstellbar.
[0042] Bevorzugt ist der mittlere Wert des Widerstands des leitfähigen, hartgasabgebenden
Materials größer gewählt, als der durchschnittliche, mittlere Widerstandswert des
Lichtbogens ist.
[0043] Zum Schutz vor thermischen und/oder mechanischen Belastungen kann bei einer Ausgestaltung
der Erfindung das spannungsschaltende Element und/oder die diskrete Impedanz in eine
der Hauptelektroden integriert werden. Hierfür kann eine der Hauptelektroden einen
von außen zugänglichen Hohlraum aufweisen, wodurch auch, wenn nötig, eine Austauschbarkeit
des spannungsschaltenden Elements gewährleistet ist.
[0044] Das spannungsschaltende Element ist in den Hohlraum einpolig isoliert eingesetzt,
wobei der Hohlraum ein Innengewinde zur Aufnahme einer, das eingesetzte spannungsschaltende
Element kontaktierenden leitfähigen Schraube aufweist.
[0045] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegt das zum Lichtbogen-Brennraum
reichende Ende der Zündhilfselektrode im wesentlichen auf gleicher Höhe des in den
Brennraum hineinreichenden Endes derjenigen Hauptelektrode, welche der ersten Trennstrecke
zugehörig ist.
[0046] Auch kann die Zündhilfselektrode seitlich versetzt und/oder bezogen auf den Lichtbogen-Hauptbrennraum
zurückgesetzt zum Schutz dieser angeordnet werden.
[0047] Über ein ergänzendes spannungsschaltendes Element, welches außerhalb der druckdichten
Kapselung befindlich ist, kann eine Einstellung oder Anpassung der Ansprechspannung
der Überspannungsschutzeinrichtung erfolgen.
[0048] Grundsätzlich ist die vorgestellte Überspannungsschutzeinrichtung auch als Kombination
aus einer triggerbaren Teilfunkenstrecke hoher Ansprechspannung und mindestens einer
nachgeordneten Teilfunkenstrecke niedriger Ansprechspannung realisierbar.
[0049] Bei dieser Ausführungsform können die Teilfunkenstrecken Mittel zur internen Potentialsteuerung
aufweisen.
Die Teilfunkenstrecken sind über Distanzhalter mechanisch fixiert und verbunden.
Die Distanzhalter können aus einem leitfähigen, feldsteuernden Material bestehen.
[0050] Die Distanzhalter und die Elektroden der Teilfunkenstrecken können bei einer Ausführungsform
der Erfindung eine Ummantelung besitzen, wobei die Ummantelung eine einseitig elektrisch
angeschlossene Schirmung zur gezielten Potentialverzerrung umfasst oder als solche
selbst ausgebildet ist.
[0051] Der Abstand der Elektroden, welche die Teilfunkenstrecke mit Zündhilfselektrode bilden,
ist bevorzugt größer gewählt als der Abstand der Elektroden, die die jeweils folgenden
Teilfunkenstrecken definieren.
[0052] Der Distanzhalter kann für die nicht durch die Zündhilfselektrode triggerbare Teilfunkenstrecke
als ein integrales Bauteil im Sinne der Fertigungsrationalisierung und leichteren
Montage ausgeführt werden.
[0053] Zur Vermeidung eines elektrischen Überschlags außerhalb des Lichtbogen-Brennraums
sind zusätzliche Isolierabschnitte oder Isoliermaterialien, bevorzugt im äußeren Bereich
der Elektroden der Teilfunkenstrecke vorgesehen oder dort angeordnet.
[0054] Die Distanzhalter weisen auf ihrer vom Lichtbogen-Brennraum entfernten Seite eine
Isolationsbeschichtung oder Isolationsumhüllung auf, was sich als ergänzende Maßnahme
zur Vermeidung unerwünschter Überschläge darstellt.
[0055] Es besteht die Möglichkeit, die erste, triggerbare Teilfunkenstrecke durch einen
Gasableiter zu ersetzen, welcher die Ansprechspannung der Gesamtanordnung bestimmt,
ohne dass hierdurch der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird.
[0056] Ganz grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Funkenstrecke als Hörnerfunkenstrecke
oder aber auch als Stapelfunkenstrecke ausgeführt werden.
[0057] Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme
von Figuren näher erläutert werden.
[0058] Hierbei zeigen:
- Fig. 1
- eine Prinzip-Schnittdarstellung durch eine in einer gekapselten Funkenstrecke befindlichen
Zündhilfe;
- Fig. 2
- eine Ausführungsform ähnlich Fig. 1, jedoch mit zusätzlichem hartgasabgebenden Material,
welches den Lichtbogen-Brennraum umgibt;
- Fig. 3
- eine weitere Ausführungsform der Überspannungsschutzeinrichtung ähnlich wie in Fig.
2 dargestellt, jedoch mit variierter Heranführung des Potentials der Hauptelektrode
an die Zündhilfselektrode;
- Fig. 4
- eine Darstellung einer Überspannungsschutzeinrichtung mit einem spannungsschaltenden
Element, integriert in eine der Hauptelektroden;
- Fig. 5
- eine Ausführungsform mit spezieller höhenmäßiger Zuordnung einer der Hauptelektroden
zur Zündhilfselektrode;
- Fig. 6
- eine weitere Ausführungsform der Zuordnung von Zündhilfselektrode und benachbarter
Hauptelektrode;
- Fig. 7
- eine Darstellung mit einem spannungsschaltenden Element außerhalb der druckfesten
Kapselung der Funkenstrecke;
- Fig. 8
- eine Funkenstrecke, umfassend mehrere Teilfunkenstrecken;
- Fig. 9
- eine Darstellung ähnlich Fig. 8, jedoch mit einem gemeinsamen Distanzhalter für die
nicht triggerbaren Teilfunkenstrecken und
- Fig. 10
- eine Darstellung einer Funkenstrecke ähnlich den Fig. 8 und 9, jedoch mit zusätzlichen
Maßnahmen zur Isolation zum Zweck des Vermeidens von unerwünschten äußeren Durchschlägen.
[0059] Die passive Zündhilfe 100 entsprechend Fig. 1 ist in die druckfeste Kapselung 5 der
Funkenstrecke integriert, welche zwei Hauptelektroden 1 und 2 aufweist. Diese Hauptelektroden
1 und 2 sind bei einer z.B. metallischen Kapselung 5 gegenüber dieser isoliert gehalten.
[0060] Die Zündhilfe 100 besteht aus einem spannungsschaltenden Element 4, bevorzugt einem
Gasableiter, wobei jedoch auch Suppressordioden, Thyristoren, Varistoren, definiert
abbrandfeste Trennstrecken oder eine Kombination dieser Elemente geeignet sind. Weiterhin
weist die Zündhilfe 100 eine impedanzbehaftete Zündhilfselektrode 3 auf. Es besteht
auch die Möglichkeit, dass eine diskrete Impedanz 3a als separates Element vorhanden
ist.
[0061] Als Impedanz 3a sind Elemente bzw. Materialien wie Kunststoffe oder Keramiken mit
linearen, aber auch mit nichtlinearen Widerständen bzw. Kennlinien geeignet. Beim
Einsatz einer diskreten Impedanz 3a kann diese z. B. als Widerstand, als Varistor,
als Kapazität oder aber auch aus Materialien mit entsprechender Charakteristik derartiger
Bauelemente ausgeführt werden.
[0062] Die Zündhilfselektrode oder Zündelektrode 3 ist gegenüber den beiden Hauptelektroden
1 und 2 isoliert. Die Ansprechspannungen der sich ergebenden Teilfunkenstrecken e
1 und e
2 sind jedoch unterschiedlich ausgelegt.
[0063] Die Ansprechspannung der Strecke e
1, d.h. der Hauptelektrode 1 zur Zündhilfselektrode 3 ist viel größer als die Ansprechspannung
der Strecke e
2, gebildet durch den Abstand der Hauptelektrode 2 zur Zündhilfselektrode 3.
[0064] Die Ansprechspannung der Strecke e
1 ist mindestens gleich, aber im allgemeinen höher als die Ansprechspannung des spannungsschaltenden
Elements 4 der Zündhilfe 100.
Die Ansprechspannung der Strecke e
2 ist hingegen höchstens gleich, aber im Allgemeinen niedriger als die Ansprechspannung
des spannungsschaltenden Elements 4 der Zündhilfe 100.
[0065] Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Ansprechspannung des gesamten Ableiters
im wesentlichen durch die Ansprechspannung des spannungsschaltenden Elements 4 bestimmt
wird und damit unabhängig von den üblichen geometrischen Bedingungen der Hauptfunkenstrecke
gewählt werden kann. Vorteilhafterweise sind alle für das Ansprechverhalten funktionsrelevanten
Teile nicht der direkten Lichtbogeneinwirkung ausgesetzt. Einzig ein Ende der Zündhilfselektrode
3, welche bevorzugt selbst impedanzbehaftet, z. B. als leitfähigem Kunststoff ausgeführt
werden kann, befindet sich partiell im Lichtbogen-Brennraum und wird isoliert gegenüber
den beiden Hauptelektroden 1, 2 ausgeführt.
[0066] Wenn die Zündhilfselektrode 3 nicht aus einem impedanzbehafteten Material, sondern
aus einem niederohmigen Material, z. B. Kupfer oder Ähnlichem ausgeführt ist, wird,
wie bereits erwähnt, eine separate Impedanz 3a eingesetzt, die dann vollständig außerhalb
der direkten Lichtbogeneinwirkung befindlich ist.
[0067] Der im Lichtbogen-Brennraum unvermeidbare Abbrand aller Teile kann die Zündhilfselektrode
3 nur partiell schädigen. Da der Lichtbogenabbrand im gesamten Brennraum der Funkenstrecke
allseitig erfolgt, werden alle den Brennraum begrenzenden Teile, also auch die Zündhilfselektrode
3, mit ihren angrenzenden Isolationsteilen nach und nach abgebrannt.
Hierdurch ist sichergestellt, das die geometrischen Proportionen aller Bauteile nach
jeder Belastung weitestgehend gleich bleiben.
Infolge eines ungleichmäßigen Abbrands bzw. infolge von Verunreinigungen kann es aber
auch bei dieser Geometrie zur Schädigung oder zum Überbrücken der kurzen Isolationsstrecke
e
2 kommen. Insbesondere bei nahezu allen aktiven externen Zündhilfen würde dies quasi
zum Kurzschluss des Impulsübertragers und somit zum Versagen oder zur Überlastung
der Zündhilfe führen. Bei der hier vorgeschlagenen Gestaltung gemäß Ausführungsbeispiel
ist dies jedoch nicht der Fall. Die entstehenden Verunreinigungen als auch die in
der Regel nur partiellen Kontaktbrücken, welche durch Schmelzerscheinungen gebildet
werden und aufgrund der Auslegung der Bauteile nur geringfügig sind, besitzen einen
vergleichsweise hohen Widerstand und werden durch einen geringen Stromfluss beseitigt.
[0068] Die elektrischen Parameter der in die Funkenstrecke integrierten Bauelemente sind
einerseits durch die geometrischen Abmessungen vorgegeben. Andererseits wird aber
der Leistungsumsatz auch zugunsten einer einfachen Konstruktion der Kontaktstellen
und auch der thermischen Belastung der Isolationsstrecken begrenzt. Die Leistungsfähigkeit
der Zündhilfe bei der vorliegenden Ausführungsform beschränkt sich auf kleine Impulsleistungen.
[0069] Bei der der allgemeinen Funktionsbeschreibung dienenden Darstellung nach Fig. 1 ist
eine prinzipielle, vereinfachte Geometrie einer möglichen Funkenstreckenanordnung
gezeigt. In dieser Anordnung, die lediglich den Zündbereich betrifft, sind zur Vereinfachung
noch keine Maßnahmen zur Folgestrombegrenzung enthalten.
[0070] Die Hauptelektroden 1 und 2 werden in an sich bekannter Weise aus abbrandfesten,
elektrisch leitenden Materialien wie Metallen, metallischen Legierungen, Sintermetallen,
Grafit, Keramiken oder Verbundkeramiken gefertigt.
[0071] Bezüglich der Zündhilfselektrode 3 ist noch anzumerken, dass diese, wie dargelegt,
entweder selbst aus einem Material mit erhöhter Impedanz, z.B. Widerstandsmaterial,
elektrisch leitfähigem Kunststoff, Kunststoff mit Füllmaterial besteht oder mit einer
separaten Impedanz 3a in Form eines Widerstands verbunden ist.
[0072] Im Kunststoffmaterial der Zündhilfselektrode können zum Einstellen gewünschter Impedanzeigenschaften
nicht nur Ruß- oder Grafitelemente oder Metall bzw. Kohlefasern enthalten sein, sondern
es besteht die Möglichkeit, Mikrovaristoren oder Nanotubes einzubringen.
[0073] Die Hauptelektrode 1 ist über das spannungsschaltende Element 4, welches ein Gasentladungsableiter,
ein Gasentladungsableiter mit Microgap; eine Funkenstrecke, eine Trennstrecke, eine
Suppressordiode, ein Varistor oder eine Kombination aus den vorgenannten Elementen
sein kann, mit der Impedanz 3a bzw. der Zündhilfselektrode 3 innerhalb der äußeren
druckfesten Kapselung 5 der Funkenstrecke verbunden.
[0074] Wie dargelegt, bilden die drei Elektroden zwei Teiltrennstrecken e
1 und e
2, wobei e
2 eine deutlich niedrigere Ansprechspannung als die Trennstrecke e
1 besitzt.
Die Ansprechspannung der Teilstrecke e
2 ist gleich oder kleiner als die Ansprechspannung des spannungsschaltenden Elements
4. Da die Gleichansprechspannung des gesamten Ableiters gleich oder kleiner als 1
kV sein soll, ergeben sich besondere Anforderungen an die Ausführung der Trennstrecke
e
2.
Diese Trennstrecke e
2 kann z. B. durch dünne Folien aus abbrandfesten Materialien oder durch temperaturbeständige
Beschichtungen, aber auch mittels spezieller abbrandfester Lacke realisiert werden.
[0075] Nach dem Ansprechen des spannungsschaltenden Elements 4 und der Trennstrecke e
2 entsteht ein Funken zwischen der Zündhilfselektrode 3 sowie der Hauptelektrode 2.
Der Strom fließt von der Hauptelektrode 1 über die Impedanz 3a, die Zündhilfselektrode
3 und den Funken zur Hauptelektrode 2. Dieser Funke bringt Ladungsträger in den Innenraum
der Funkenstrecke ein, wodurch die Spannungsfestigkeit der Trennstrecke e
1 sehr schnell reduziert wird.
Zwischen der Hauptelektrode 1 und der Zündhilfselektrode 3 gemäß Fig. 1 besteht eine
Spannungsdifferenz, welche im wesentlichen von der Höhe des Stromes im Zündkreis und
der Impedanz 3a bestimmt wird. Übersteigt diese Spannungsdifferenz die durch den Ladungsträgereintrag
reduzierte Spannungsfestigkeit der Trennstrecke e
1, so zündet diese, übernimmt den Strom und entlastet den Zündkreis. Die Teillichtbögen
über den Trennstrecken e
1 und e
2 verbinden sich und die Funkenstrecke zündet zwischen den Hauptelektroden 1 und 2.
[0076] Fig. 2 zeigt eine Funkenstrecke für Netzanwendungen, insbesondere zwischen L und
N. Diese Funkenstrecke ist in der Lage, höhere Lichtbogenspannungen zu erzeugen. Diese
werden im vorliegenden Fall durch das Beströmen des Lichtbogens mit Hartgas realisiert.
[0077] Zur Hartgasbeströmung wird ein hartgasabgebender Stoff 10, z. B. POM, Polytetrafluoräthylen
auf Polymerbasis bzw. mineralischer Basis, z. B. CaCO
3 oder BaCO
3, eingesetzt.
[0078] Auch kann der Effekt genutzt werden, durch elektrisch leitfähige Zusätze, wie Metallfasern,
Ruß, Kohlefasern, Mikrovaristoren, Nanotubes, Metallpartikel, Halbleiterpartikel oder
auch an sich leitfähige Polymere, das Potential der Hauptelektrode 2 bis an die Trennstrecke
der Zündhilfselektrode 3 heranzuführen.
Durch diese Maßnahme wird die Ansprechspannung der Trennstrecken e
1 und e
2 nicht verändert; jedoch die wirksame Lichtbogenlänge zwischen den Hauptelektroden
1 und 2 erhöht.
[0079] Der Zündfunke entsteht zwischen der Zündhilfselektrode 3 und dem leitfähigen hartgasabgebenden
Material 10 und kann sich dann bereits oder erst nach dem Überschlag der Trennstrecke
e
1 sehr schnell bis zur Hauptelektrode 2 verlängern.
Hierdurch wird einerseits die Lichtbogenlänge vergrößert und andererseits der Lichtbogen
durch das Hartgas gekühlt und beströmt.
[0080] Beide Maßnahmen erhöhen die Lichtbogenspannung, wodurch bekanntermaßen eine Strombegrenzung
bei Netzfolgeströmen erreicht werden kann. Durch die Erzeugung von Hartgas und die
Beströmung des Lichtbogens entsteht ein Druckanstieg, der durch die Druckausgleichsöffnung
11 ableitbar ist. Hierdurch wird verhindert, dass in dem druckdicht abgeschlossenen
Volumen über das erzeugte Gas ein allmählicher Druckanstieg auftritt, wodurch die
Berstfestigkeit der Funkenstrecke nach mehrmaligen Belastungen womöglich überschritten
werden könnte.
[0081] Zum Druckausgleich können konstruktiv vorhandene Kanäle kleinen Querschnitts genutzt
werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, auch poröse, für Gase bzw. für bestimmte Gasarten
durchlässige Gehäusematerialien, wie z. B. poröse Polymere, Metalle oder Keramiken,
alternativ zu konstruktiven Kanälen einzusetzen.
Die Ansprechspannung der Funkenstrecke ist von einer Druckerhöhung z. B. beim Einsatz
von Gasentladungsableitern als spannungsschaltendes Element 4 nicht betroffen.
[0082] Unter Hinweis auf die Darstellung nach Fig. 3 kann in analoger Weise auch das Potential
der Hauptelektrode 1 an die Zündhilfselektrode 3 herangeführt werden.
[0083] Wie bereits erläutert, kann die Distanz der beiden Hauptelektroden ohne Beeinflussung
der Ansprechspannung durch den Einsatz entsprechend leitfähiger Materialien 10 verlängert
werden. Die Größe des leitfähigen, hartgasabgebenden Teiles 10 wird bevorzugt größer
gewählt als die Abmessungen der Trennstrecke e
1.
[0084] Bekanntermaßen belastet auch die Restspannung eines Ableiters, welche erst nach dem
Ansprechen des Ableiters und somit bei Stromfluss über den Ableiter auftritt, nachgeschaltete
Geräte. Dies ist insbesondere bei der neuen Generation von Überspannungsableitern
von Bedeutung, da diese, wie bereits eingangs erläutert, ohne zusätzliche Entkopplung
die nachgeordneten Geräte bei einem insgesamt niedrigen Schutzpegel schützen soll.
[0085] Die Höhe der Restspannung bei der Funkenstreckenanordnung entsprechend den Fig. 1
und 2 kann in drei Bereiche klassifiziert werden. Ein erster Zeitbereich beginnt quasi
nach dem Ansprechen des spannungsschaltenden Elements und dem Überschlag der Trennstrecke
e
2. Es fließt ein Strom über das spannungsschaltende Element 4, die Impedanz 3 und das
elektrisch leitende Teil 3 (Fig. 2).
Die Impedanz all dieser Elemente bestimmt den Spannungsabfall über den Ableiter. Wird
die, durch die Vorionisation herabgesetzte Festigkeit der Strecke e
1 überschritten, erfolgt ein Überschlag zwischen der Hauptelektrode 1 und dem Teil
10. Hierdurch erfolgt eine Entlastung des Zündkreises und es reduziert sich die Restspannung
um den Spannungsabfall über den Zündkreis. Nun wird die Restspannung im wesentlichen
durch das Teil 10 bestimmt. Mit fortschreitender Ionisation zwischen den beiden Hauptelektroden
1 und 2 und dem Wandern des Lichtbogens am Teil 10 entlang, erfolgt der Überschlag
zwischen den Hauptelektroden 1 und 2. Zu diesem Zeitpunkt wird die Restspannung durch
den Lichtbogen zwischen den Hauptelektroden bestimmt. Selbstverständlich kann auch
der erste Lichtbogenüberschlag über das Teil 10 erfolgen und anschließend erst der
Überschlag der Trennstrecke e
1. Dies ist erfindungsgemäß durch eine entsprechende geometrische Gestaltung vermeidbar.
Auf diesem Wege ist verhindert, dass die Belastung des Zündkreises steigt.
[0086] Da der Prozess bis zum Überschlag zwischen den beiden Hauptelektroden eine gewisse
Zeitdauer erfordert, steigt die Restspannung während dieses Zeitraums in Abhängigkeit
der aktuell wirksamen Impedanz und des Impulsstroms an. Bei hohen Spannungssteilheiten
bzw. Stoßströmen kann die Restspannung daher unter Umständen zu hohe Werte annehmen,
wodurch eine Gefährdung bzw. sogar eine Überlastung der nachgeschalteten Elemente
auftreten kann.
[0087] Erfindungsgemäß wird dem leitfähigen, hartgasabgebenden Teil 10 zusätzlich die Aufgabe
einer effektiven Restspannungsbegrenzung übertragen. Hierfür ist gemäß Ausführungsbeispiel
eine bestimmte Bemessung des Widerstands des Teiles 10 erforderlich.
Eine zielgerichtete Beeinflussung des Verlaufs und der Höhe der Restspannung kann
im übrigen durch die geometrische neben der elektrischen Gestaltung des Teiles 10
erfolgen. Wird der Widerstand des Teiles 10 im Verhältnis zur Impedanz 3a relativ
hochohmig gewählt, steigt die Restspannung auch nach dem Überschlag der Trennstrecke
e
1 weiter an. Es würde also insbesondere bei großen Abmessungen (Länge) des Teiles 10
(größere Zündverzugszeit) die Gefahr einer zu hohen Restspannung bei großen Impulsströmen
bestehen.
Wird der Widerstand des Teiles 10 hingegen gegenüber der Impedanz 3a niedrig gewählt,
kann der Anstieg der Restspannung nach dem Überschlag der Trennstrecke e
1 reduziert werden, wodurch die Gefahr einer zu hohen Restspannung deutlich reduzierbar
ist.
[0088] Der effektive wirksame Widerstand des Teiles 10 kann durch das Material, die Geometrie
des Teiles und die jeweilige Kontaktfläche des Teiles 10 an der Elektrode 2 beeinflusst
werden. Ebenso wirksam ist jedoch auch die Gestaltung des Übergangsbereichs zwischen
dem Teil 10 und der Zündhilfselektrode 10 sowie die Positionierung der Hauptelektrode
1. Wird die Zündhilfselektrode 3 z. B. mit einem größeren Innendurchmesser als das
Teil 10 ausgeführt, ist sie gegenüber diem Teil als quasi zurückgesetzt, ergibt sich
eine praktisch größere Kontaktfläche am Teil 10 für den Funken zwischen der Hauptelektrode
1 und dem Teil 10 selbst, wodurch sich ein geringerer wirksamer Widerstand des Teiles
10 einstellt.
Ist die Zündhilfselektrode praktisch einstehend in den Lichtbogen-Brennraum, erhöht
sich der Widerstand. Es können auch in Richtung der Achsen analog wirkende Maßnahmen
der geometrischen Gestaltung durchgeführt werden.
[0089] Zu beachten ist bei der Beeinflussung der Restspannung auch, dass das Material des
Teiles 10 durch die Übernahme eines bedeutenden Stromanteils von bis zu mehreren kA
bei Impulsstrombelastung eine entsprechende elektrische und thermische Belastung erfährt
und dafür entsprechend auszulegen ist. Eine thermische Vorbelastung des Teiles 10
während der Zündphase ist allerdings auch positiv zu sehen, da insbesondere POM-Materialien
bei höherer Temperatur das Hartgas beschleunigt freisetzen. Dies führt zu einem insgesamt
besseren Löschverhalten bei möglichen Folgeströmen, welche selbstverständlich auch
partiell über das Material des Teiles 10 fließen und dieses elektrisch und thermisch
belasten.
[0090] Die Höhe des Widerstands des Teiles 10 z.B. als Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser
von 18 mm, einem Innendurchmesser von 4 mm bei einer Höhe von 5 mm kann praktisch
zwischen mehreren hundert kΩ und Werten bis ca. 1 Ω variiert werden, ohne dass sich
negative Auswirkungen hinsichtlich des Löschvermögens der Funkenstrecke und der Materialauswahl
ergeben. Die maximale Begrenzung der Restspannung ergibt sich, wie erläutert, bei
niedrigsten Widerstandswerten.
[0091] Ein beliebiges Reduzieren ist jedoch nicht möglich, da ab bestimmten Werten sich
die Gesamteigenschaften der Funkenstrecke nicht vorteilhaft verändern. Prinzipiell
können drei Dimensionierungsbereiche für den mittleren Wert des Widerstands des leitfähigen,
gasabgebenden Teiles 10 festgehalten werden:
Z
Teil 10 > Mittelwert des Widerstands des Lichtbogens bei Impuls- und Folgeströmen
Mittelwert des Widerstands des Lichtbogens bei Impulsströmen < Z
Teil 10 < Mittelwert des Widerstands des Folgestrom-Lichtbogens
Z
Teil 10 < Mittelwert des Widerstands des Lichtbogens bei Impuls- und Folgeströmen.
[0092] Der Widerstandswert des Teiles 10 einer Funkenstrecke gemäß den Fig. 2 oder 3 erlangt
jedoch nicht nur bei der Restspannung eine besondere Bedeutung, sondern auch durch
seine Wirkung bei der Folgestromlöschung.
Das Teil 10 befindet sich bei den beschriebenen Anordnungen grundsätzlich parallel
zum Lichtbogen oder zumindest zu Abschnitten des Lichtbogens. Dies gilt für alle Belastungen,
bei denen die Funkenstrecke zwischen den Hauptelektrode 1 und 2 gezündet wird. Das
Teil 10 übernimmt sowohl während der Belastung mit Stoßströmen als auch bei der Belastung
mit Folgeströmen immer einen Anteil des Gesamtstroms. Die Höhe dieses Anteils ist
abhängig von der Höhe des Widerstandswerts des Teiles 10 und des Quasi-Widerstands
des Lichtbogens.
[0093] Bekanntermaßen ist die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Lichtbogens nicht linear,
sondern von zahlreichen Faktoren, u.a. der Zusammensetzung des Gases, Druck, Temperatur
und so weiter abhängig. Diese Größen werden in einer realen Funkenstrecke u.a. durch
die Geometrie, die eingesetzten Materialien und die elektrische Belastung bestimmt.
Dadurch, dass alle diese Größen selbst bei feststehender Funkenstrecken-Geometrie
infolge von Alterungen stark variieren, lässt sich die exakte Lichtbogen-Kennlinie
nur ungenügend voraussagen. Betrachtet man den Folgestrom-Lichtbogen bei Wechselspannung,
ist jedoch ebenso bekannt, dass der Widerstand des Lichtbogens zum Zeitpunkt der Zündung
und zum Zeitpunkt des Verlöschens zum Teil deutlich erhöht ist. In diesem Zeitbereich
übernimmt somit der parallele Widerstand des Teiles 10 einen entsprechend höheren
Stromanteil bzw. sogar den Gesamtstrom bei niedrigen Werten < 10 Ω. Dem Lichtbogen
werden hierdurch selbstverständlich Ladungsträger entzogen, wodurch die Ionisation
stark zurückgeht. Dies führt zu einem vorzeitigen Verlöschen des Lichtbogens. Teil
10 führt hier den Folgestrom bis zum Stromnulldurchgang.
[0094] Es kann der niedrige Widerstandswert des Teiles 10 auch zur Vermeidung eines Netzfolgestrom-Lichtbogens
dienen. Die Netzspannung ist im Verhältnis zur treibenden Spannung des Impulsstroms
vergleichsweise niedrig und zudem von der Phasenlage abhängig. Unter anderem führt
dies in der Praxis dazu, dass der Impulsstrom-Lichtbogen häufig nicht unmittelbar
in den Netzfolgestrom-Lichtbogen übergeht, sondern dieser erst infolge der reduzierten
Spannungsfestigkeit der Schaltstrecke infolge der Impulsbelastung zünden kann. Der
Parallelwiderstand des Teiles 10 reduziert jedoch aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit
quasi die Spannungsbelastung der Schaltstrecke, wodurch die Zündung des Netzfolgestrom-Lichtbogens
verhinderbar ist. In einem solchen Fall kann der Netzfolgestrom zum einen komplett
verhindert werden oder es fließt zum anderen nur ein begrenzter Folgestrom über das
Teil 10 bis zum Stromnulldurchgang. Bei dieser Wirkungsweise wird die Lösch- und die
Zündspitze des Lichtbogens vermieden. Diese Wirkung ist ein positiver Nebeneffekt,
wobei im übrigen noch keine Gefahr einer Schädigung des Teiles 10 unabhängig vom gewählten
leitfähigen Material gegeben ist.
[0095] Entspricht der Widerstand des Teiles 10 jedoch in etwa dem Widerstand des Folgestrom-Lichtbogens,
ist mit einer starken Strombelastung des Teiles 10 über die gesamte Lichtbogenphase
zu rechnen. Es werden daher nur solche Materialien verwendet, die durch eine anhaltende
Strom- und Temperatureinwirkung nicht geschädigt werden können. Bei Funkenstrecken,
bei denen eine sehr effektive Folgestrombegrenzung erreicht werden soll, d.h. bei
denen die Höhe der Lichtbogenspannung, die die Netzspannung nach spätestens einer
Millisekunde erreicht, besitzt der Lichtbogenwiderstand bei Folgestrom einen Wert
im wesentlichen zwischen 0,5 und 1 Ω. Wird dieser Wert vom Teil 10 unterschritten,
führt dies einerseits zu einer starken Belastung des Teiles 10, jedoch kann andererseits
der Lichtbogen schneller gelöscht werden oder es ist eine Zündung verhinderbar.
[0096] Bei der Wahl eines sehr niedrigen Widerstandswerts des Teiles 10 ist zu berücksichtigen,
dass die Folgestrombelastung sinkt, und dass sowohl die Trennstrecke e
1 und auch das spannungsschaltende Element 4 die auftretenden Folgeströme und auch
den Abbrand mehrfach beherrschen müssen.
Eine Absenkung des Widerstands des Teiles 10 bei Funkenstrecken gemäß z. B. Fig. 2
unter den im Allgemeinen deutlich geringeren Widerstand des Lichtbogens (ca. < 1/10)
bei Impulsströmen, behindert eine gewünschte starke Folgestrombegrenzung unverhältnismäßig
stark. Die starke Differenz zwischen dem Widerstand des Lichtbogens bei Impulsströmen
und bei Folgeströmen ergibt sich bei Anordnungen entsprechend gemäß Fig. 2 u.a. aus
der verzögerten Abgabe von Hartgas aus dem hierfür eingesetzten Teil 10.
[0097] Eine sichere Arbeitsweise und eine kaum eingeschränkte Materialauswahl für das Teil
10 ist insbesondere dann gegeben, wenn der mittlere Widerstand des Teiles 10 grundsätzlich
höher als der mittlere Widerstand des Lichtbogens ist.
Für spezielle Funkenstreckenanordnungen können jedoch auch Auslegungen sinnvoll sein,
bei denen durch Absenkung des Mittelwerts des Widerstands des Teiles 10 unter den
Mittelwert des Widerstands des Folgestrom-Lichtbogens ein Lichtbogen bei Folgestrom
weitestgehend vermieden werden soll. Eine derartige Anordnung bedarf jedoch aufgrund
der hohen elektrischen und thermischen Belastungen einer besonderer Materialauswahl
und Auslegung des Teiles 10. Denkbar sind hier leitfähige Keramiken, Verbundmaterialien,
Varistormaterial oder die Verwendung von PTC-Material.
[0098] Die Fig. 4 bis 7 zeigen weitere Ausgestaltungsvarianten der integrierten Zündhilfe
in Kombination mit einer Funkenstrecke mit Folgestromlöschung nach dem Hartgasprinzip.
[0099] Gemäß Fig. 4 wird das spannungsschaltende Element 4 zum Schutz vor insbesondere thermischen
und mechanischen Belastungen direkt in eine Ausnehmung der Hauptelektrode 1 integriert.
Diese Ausnehmung kann z. B. in Form einer Bohrung in der Stromzuführung der Hauptelektrode
ausgeführt sein. Diese Bohrung kann ein Innengewinde aufweisen. Mit Eindrehen einer
leitfähigen Schraube kann dann das im Hohlraum befindliche spannungsschaltende Element
4 sicher mechanisch befestigt und kontaktiert werden.
[0100] Obwohl zeichnerisch nicht dargestellt, besteht auch die Möglichkeit, eine separate
Impedanz 3a in eine entsprechende Ausnehmung in der Hauptelektrode 1 aufzunehmen,
so dass auch dieses Element besser vor statischen und dynamischen mechanischen Belastungen
bei der Fertigung und während des Betriebs geschützt ist.
[0101] Es sei noch darauf hingewiesen, dass eine Seite des spannungsschaltenden Elements
4 gegenüber der Hauptelektrode 1 isoliert wird und ein isolierter leitfähiger Anschluss-
bzw. eine solche Verbindung zur Zündhilfselektrode 3 besteht.
[0102] Gemäß Fig. 5 wird die Zündhilfselektrode 3 quasi auf gleicher Höhe mit dem zum Lichtbogen-Brennraum
reichenden Ende der Hauptelektrode 1 in den Lichtbogen-Brennraum eingebracht.
Dies bewirkt nach der Zündung der Hauptfunkenstrecke sehr schnell das Verlöschen des
Stromes im Zündkreis, da dieser praktisch nicht mehr einer Potentialdifferenz ausgesetzt
wird. Die Zündhilfselektrode 3 wird somit vor einem direkten Lichtbogen-Fußabbrand
geschützt.
[0103] Fig. 6 zeigt eine Darstellung, bei der die Zündhilfselektrode 3 seitlich versetzt
vom Lichtbogen-Brennraum angeordnet ist, wodurch sich ebenfalls eine besondere geschützte
Ausführungsform der Elektrode 3 einstellt.
[0104] Nach der Darstellung gemäß Fig. 7 besteht die Möglichkeit, ein, auch ergänzendes,
spannungsschaltendes Element 4 außerhalb der druckfesten Kapselung 5 der Funkenstrecke
anzuordnen.
[0105] Dies erlaubt es, die Ansprechspannung des Ableiters unabhängig von der Funkenstrecke
auch noch nach dem Einbau in die Anwendungsumgebung frei zu wählen oder an das Anwendungsumfeld
und die Einsatzbedingungen anzupassen.
[0106] Grundsätzlich kann die erläuterte und im Ausführungsbeispiel beschriebene Zündhilfe
auch bei anderen Löschprinzipien bzw. Elektrodenanordnungen angewendet werden. Bekannte
Folgestrom-Löschverfahren für Niederspannungs-Ableiter neben den erläuterten Varianten
ist z. B. die Nutzung von hörnerförmigen Elektroden zur Lichtbogenverlängerung, häufig
in Kombination mit Löschblechanordnungen, bzw. auch die Erzeugung von hohen Drücken
zur Erhöhung der Lichtbogen-Feldstärke. Ebenso ist eine Reihenschaltung von mehreren
Funkenstrecken zur Vervielfachung der Elektroden-Fallspannung denkbar.
[0107] Der Einsatz für Anordnungen mit hörnerförmigen Elektroden bedarf keiner näheren Erläuterung,
da sowohl eine prinzipielle Lösung entsprechend Fig. 1, aber auch Anordnungen mit
einem durch elektrisch leitfähige Stoffe verlängerten Elektrodenabstand, z. B. entsprechend
Fig. 2, in einer symmetrischen oder auch unsymmetrischen Anordnung in bekannter Weise
mit hörnerartigen Funkenstrecken versehen werden können. Die sich ausbildenden Folgestrom-Lichtbögen
können bekanntermaßen nach der Verlängerung an den Hörnern den unterschiedlichsten
Löschsystemen zugeführt werden.
[0108] Die Realisierung einer effektiven Folgestrombegrenzung ist jedoch auch durch einen
starken Druckaufbau im Inneren der Funkenstrecke möglich. Hier sei beispielsweise
auf die DE 196 04 947 C1 verwiesen. Dies wird zwar auch bei der Erzeugung von Hartgas
mit realisiert, kann jedoch auch als Einzelmaßnahme finden. Selbiges ist z. B. bei
Funkenstrecken von Vorteil, bei denen der Aufwand, der hinsichtlich der Strömung und
der Kühlung des frei werdenden Gases notwendig ist, begrenzt werden soll, bzw. auch
bei Funkenstrecken, bei denen eine möglichst geringe Alterung von Interesse ist.
[0109] Anordnungen entsprechend der DE 196 04 947 C1 sind grundsätzlich mit einer erfindungsgemäßen
Zündhilfe realisierbar. Hartgasabgebende Stoffe können teilweise bzw. vollständig
durch elektrisch leitfähige Stoffe mit linearer, aber auch mit nichtlinearer Charakteristik
ersetzt werden. Dies können z. B. druckfeste leitfähige Keramiken, Faserkeramiken
bzw. Verbundmaterialien mit leitfähigen Bestandteilen oder aber auch z.B. Materialien
mit Varistorkennlinie oder einer PTC-Kennlinie sein. Der Druckaufbau wird durch das
begrenzte Innenvolumen z. B. in einem Zylinder realisiert. Bei einem partiellen Einsatz
von Hartgas kann z. B. eine Sandwichlösung eingesetzt werden.
Es ist jedoch auch möglich, eine poröse Grundstruktur, z. B. aus leitfähiger Keramik
mit gasabgebenden Stoffen, z. B. POM zu füllen.
[0110] Ausführungsvarianten mit aktiver Triggerung zur Einbringung von Ladungsträgern in
eine oder mehrere Teilfunkenstrecken für die Anwendung in Anlagen der Niederspannung
zeigen die Fig. 8 bis 10.
[0111] Gemäß Fig. 8 ist die vorstehend erläuterte Zündhilfe auch bei einer Ausführungsform
mit mehreren Teilfunkenstrecken einsetzbar und schränkt den Einsatz der allgemein
bekannten Methoden zur Potentialsteuerung der Teilfunkenstrecken nicht ein.
[0112] Es ist jedoch zu beachten, dass Ableiter mit einer Reihenschaltung aus Teilfunkenstrecken
üblicherweise auch extern angeschlossene Mittel zur Potentialsteuerung aufweisen.
Dies können Impedanzen, Kapazitäten, lineare und nichtlineare Widerstände, deren Kombinationen
bzw. auch zusätzliche externe Funkenstrecken, welche ebenfalls zur Potentialsteuerung
eingesetzt werden, sein.
Unabhängig, welche Art von diskreten Elementen auch zur Potentialsteuerung eingesetzt
wird, stellen diese Elemente und deren Kontaktstellen zu den einzelnen Teilfunkenstrecken
einen Risikofaktor dar, da infolge sehr hoher Impulssteilheiten oder auch einer schlechten
bzw. gealterten Kontaktgabe es zu partiellen oder auch vollständigen Außenüberschlägen
und somit zur Zerstörung des Ableiters kommen kann. Gilt es also einen Ableiter der
genannten Art sicher mit einer Zündhilfe und einem Ansprechwert < 1 kV zu zünden,
so muss nicht nur die eigentliche Zündhilfe, sondern auch die Potentialsteuerung sicherer
als üblich ausgeführt werden.
[0113] Dies kann gemäß Ausführungsbeispiel dadurch realisiert werden, dass anstelle einer
Potentialsteuerung mit externen und diskreten Elementen ohnehin notwendige Bauteile
so modifiziert werden, dass eine hinreichende, interne Potentialsteuerung möglich
ist.
[0114] Hierfür werden einzelne Elektrode der Teilfunkenstrecken 20 durch Distanzhalter 21
getrennt. Das Material dieser Distanzhalter 21 kann bis auf die Strecke oder Strecken,
welche mit einer Zündhilfe versehen ist, aus leitfähigem bzw. feldsteuerndem Material
gefertigt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann eine äußere Ummantelung der eigentlichen Funkenstrecken
mit einem isolierten, einseitig angeschlossenen Schirm zur Potentialverzerrung 22
verbunden werden.
[0115] Die Teilfunkenstrecke mit der Zündhilfe aus den Teilen 3, 3a und 4 wird so gestaltet,
dass sie trotz eventuell auftretender Verschmutzungen, insbesondere durch den Abbrand
der Zündelektrode, in der Lage ist, allein nach dem Ansprechen der Funkenstrecke die
Belastung durch die wiederkehrende Netzspannung zu beherrschen.
Hierzu wird der Abstand der Elektroden 22 und 23 der über die Zündhilfe triggerbaren
Teilfunkenstrecke gegenüber dem Abstand der anderen Teilfunkenstrecken erhöht. Zusätzlich
kann zur besseren Beherrschung der wiederkehrenden Spannung für das Material der Hauptelektroden
der triggerbaren Teilfunkenstrecken ein Material mit hoher Sofortverfestigung gewählt
werden. Das Material der übrigen Teilstrecken hingegen sollte über einen geringen
Abbrand und eine hohe Elektrodenfallspannung verfügen.
[0116] Die Distanzhalter 21 können aus elektrisch leitfähigen Polymeren bzw. Keramiken bestehen.
Deren Widerstandscharakteristik kann linear, aber auch nichtlinear sein.
[0117] Bei einer potentialsteuernden Ausführung kann das Material der Distanzhalter 21 neben
bestimmten dielektrischen Eigenschaften, wodurch eine kapazitätsbehaftete Steuerung
möglich ist, zusätzlich auch mit Mikrovaristoren versehen sein, wodurch sich insbesondere
bei hohen Steilheiten eine bessere potentialsteuernde Wirkung ergibt. Alternativ können
die einzelnen elektrisch leitfähigen Kontakthalter auch einseitig oder beidseitig
mit einer dünnen Isolationsschicht bzw. einer definiert schlechten Kontaktgabe versehen
oder ausgeführt sein. Dies bedingt zwar eine minimale Ansprechspannung von z. B. einigen
10 V, fördert aber durch das raschere Austreten des Lichtbogens aus dem Material und
die Funkenbildung die Ionisation der Teilfunkenstrecke und somit das Zünden der gesamten
Funkenstrecke.
Selbstverständlich können die beschriebenen Maßnahmen zur Potentialsteuerung auch
zur Reduzierung der Ansprechspannung der Teilfunkenstrecken 20 durch aus dem Bereich
der Gasentladungsableiter bekannte Maßnahmen, z. B. dem Einsatz spezieller Gase oder
Aktivierungsmaßnahmen unterstützt werden.
[0118] Gemäß Fig. 9 können die einzelnen Distanzhalter 21 der nicht triggerbaren Teilfunkenstrecken
durch einen gemeinsamen Distanzhalter ersetzt werden. Bei einer elektrisch leitfähigen
Ausführung der Distanzhalter 21 ist darauf zu achten, dass das leitfähige Material
durch den fließenden Teilstrom nicht überlastet wird. Dies kann zum einen durch die
Materialauswahl und zum anderen aber auch durch die geometrische Gestaltung im Sinne
der Dicke und der Kontaktfläche beeinflusst werden.
[0119] Fig. 10 zeigt eine Gestaltungsvariante, bei der gemeinsam oder auch alternativ anwendbare
Maßnahmen eingesetzt werden, um die Wahrscheinlichkeit eines unerwünschten äußeren
Überschlags weiter zu verringern.
Hierzu werden im äußeren Bereich der Elektroden zusätzliche Isolationsmaßnahmen durchgeführt.
Die Elektroden der Teilfunkenstrecken können im äußeren Bereich mit Isolationsmaterial
25 versehen sein. Der Innendurchmesser des isolierten Bereichs ist größer zu wählen,
als der Innendurchmesser der Distanzhalter 21. Die Distanzhalter 21 können des weiteren
ebenfalls am äußeren Umfang mit einem Ring aus Isolationsmaterial 26 umgeben sein.
[0120] Wird mit einer Anordnung entsprechend der Fig. 8 bis 10 eine Begrenzung der Folgeströme
auf Werte von wenigen hundert Ampere oder kleiner realisiert, ist anstelle der triggerbaren
Teilfunkenstrecken auch der Einsatz eines leistungsfähigen Gasableiters möglich, welcher
dann die Ansprechspannung der Gesamtanordnung bestimmt.
1. Überspannungsschutzeinrichtung auf Funkenstreckenbasis, insbesondere für Niederspannungs-Anwendungen,
umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektroden
sowie mindestens eine Zündhilfselektrode, wobei im Gehäusevolumen eine Funktionsbaugruppe
zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke untergebracht ist, welche mit
einer der Hauptelektroden und der Zündhilfselektrode in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke aus einer
vollständig in das druckdichte Gehäuse integrierten, außerhalb des Lichtbogen-Brennraums
befindlichen Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elements (4), einer Impedanz
(3a) und einer Trennstrecke (e2) besteht, wobei die Trennstrecke (e2) durch den Abstand der Zündhilfselektrode (3) zur nächstliegenden Hauptelektrode
(2) gebildet ist,
so dass beim Auftreten einer Überspannung, welche die Summe der Ansprechspannungen
des Schaltelements (4) und der Trennstrecke (e2) übersteigt, ein Strom von der ersten der Hauptelektroden (1) zur zweiten Hauptelektrode
(2) fließt, mit der Folge, dass der die Trennstrecke (e2) überbrückende Lichtbogen Ladungsträger zur sofortigen Ionisation der Trennstrecken
zwischen den Hauptelektroden (1, 2) bereitstellt, wodurch die Spannungsfestigkeit
dieser Trennstrecke verringert ist und aufgrund des mit der Stromstärke steigenden
Spannungsabfalls an der Impedanz (3a) ein Überschreiten der reduzierten Spannungsfestigkeit
der Trennstrecke zwischen den Hauptelektroden eintritt, wodurch das gewünschte Zünden
der Funkenstrecke erfolgt.
2. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das spannungsschaltende Element ein Gasableiter ist.
3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das spannungsschaltende Element eine Suppressordiode, ein Thyristor, ein Varistor
und/oder eine definiert abbrandfeste Luft- oder Gleitfunkenstrecke ist.
4. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zündhilfselektrode selbst impedanzbehaftet ausgeführt ist und einen komplexen
Widerstand aufweist.
5. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich die Zündhilfselektrode partiell im Lichtbogen-Brennraum befindet oder in diesen
hineinreicht.
6. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zündhilfselektrode aus einem leitfähigen Kunststoff besteht.
7. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Impedanz aus einem Material mit nichtlinearem oder linearem Widerstandsverlauf
besteht.
8. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Impedanz aus einem leitfähigen Kunststoff oder einer leitfähigen Keramik besteht.
9. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Impedanz diskret als Widerstand, Varistor oder Kapazität ausgeführt ist.
10. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zündhilfselektrode gegenüber den Hauptelektroden isoliert ist, wobei die Ansprechspannungen
der sich zu den Hauptelektroden jeweils ergebenden Teilstrecken unterschiedlich gewählt
sind.
11. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ansprechspannung der ersten Hauptelektrode zur Zündhilfselektrode viel größer
als die Ansprechspannung der Trennstrecke (e2) ist.
12. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Reduzierung der Ansprechspannung der Trennstrecke (e2) diese als dünne, abbrandfeste Isolierfolie, abbrandfeste Lackbeschichtung oder sonstige
dünne Isolierschicht ausgebildet ist.
13. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
diese Mittel zum Beströmen des Lichtbogens mit Hartgas aufweist.
14. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Erzeugen des Hartgases ein hartgasabgebendes Material mindestens Abschnitte des
Lichtbogen-Brennraums umgibt, wobei das hartgasabgebende Material zusätzlich leitfähige
Eigenschaften aufweist, um das Potential einer der Hauptelektroden bis an die Trennstrecke
der Zündhilfselektrode heranzuführen.
15. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine Druckausgleichsöffnung zur Verhinderung eines sich über die Zeit akkumulierenden
Druckanstiegs vorgesehen ist.
16. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Druckausgleichsöffnung durch Gehäuse- oder Elektrodenmaterialien gebildet ist,
welche gasdurchlässig sind.
17. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens Abschnitte des Gehäuses aus porösem Polymermaterial, Keramik und/oder Metall
bestehen.
18. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
diese Mittel zur Restspannungsbegrenzung aufweist.
19. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 18 und Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige, hartgasabgebende Material, welches elektrisch mit einer der Hauptelektroden
in Verbindung steht, eine definierte Geometrie sowie definierte elektrische Eigenschaften
zum Zweck der Beeinflussung des Verlaufs und der Höhe der Restspannung besitzt.
20. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Widerstand des hartgasabgebenden Materials gegenüber der Impedanz der Reihenschaltung
niedrig ist.
21. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige, hartgasabgebende Material während der Belastung mit Stoßals auch mit
Folgeströmen einen Teil des jeweils fließenden Gesamtstroms trägt.
22. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stromanteil, welcher vom leitfähigen, hartgasabgebenden Material geführt wird,
über das Verhältnis des Widerstands dieses Materials zum Widerstandswert des Lichtbogens
einstellbar ist.
23. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mittlere Wert des Widerstands des leitfähigen, hartgasabgebenden Materials größer
als der durchschnittliche, mittlere Widerstandswert des Lichtbogens ist.
24. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das spannungsschaltende Element und/oder die Impedanz zum Schutz vor thermischen oder
mechanischen Belastungen in eine der Hauptelektroden integriert ist.
25. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine der Hauptelektroden einen Hohlraum aufweist.
26. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet, dass
das spannungsschaltende Element in den Hohlraum, insbesondere einpolig isoliert, eingesetzt
ist.
27. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlraum ein Innengewinde zur Aufnahme einer, das eingesetzte spannungsschaltende
Element kontaktierenden Schraube aufweist.
28. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zum Lichtbogen-Brennraum reichende Ende der Zündhilfselektrode im wesentlichen
auf gleicher Höhe des in den Brennraum hineinreichenden Endes derjenigen Hauptelektrode
liegt, welche der ersten Trennstrecke (e1) zugehörig ist.
29. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zündhilfselektrode seitlich versetzt und/oder bezogen auf den Lichtbogen-Hauptbrennraum
zurückgesetzt angeordnet ist.
30. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein ergänzendes spannungsschaltendes Element zur nachträglichen Einstellung und/oder
Anpassung der Ansprechspannung außerhalb der druckdichten Kapselung befindlich ist.
31. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Kombination aus einer triggerbaren Teilfunkenstrecke hoher Ansprechspannung und
mindestens einer, nachgeordneten Teilfunkenstrecke niedriger Ansprechspannung.
32. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 31,
dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere, nicht triggerbare Teilfunkenstrecken Mittel zur internen Potentialsteuerung
aufweisen.
33. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 32,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Teilfunkenstrecken über Distanzhalter mechanisch fixiert sind.
34. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 33,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Distanzhalter aus einem leitfähigen, feldsteuernden Material bestehen.
35. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 33 oder 34,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Distanzhalter und die Elektroden der Teilfunkenstrecken eine Ummantelung aufweisen.
36. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 35,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ummantelung eine einseitig elektrisch angeschlossene Schirmung zur gezielten Potentialverzerrung
umfasst oder als solche ausgebildet ist.
37. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand der Elektroden, welche die Teilfunkenstrecke mit Zündhilfselektrode bilden,
größer als der Abstand der Elektroden der jeweils folgenden Teilfunkenstrecken gewählt
ist.
38. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 37,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Distanzhalter für nicht durch die Zündhilfselektrode triggerbare Teilfunkenstrecken
als integrales Bauelement ausgeführt ist.
39. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 38,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Vermeidung eines elektrischen Überschlags außerhalb des Lichtbogen-Brennraums
zusätzliche Isolationsabschnitte oder Isoliermaterialien, bevorzugt im äußeren Bereich
der Elektroden der Teilfunkenstrecken vorgesehen oder angeordnet sind.
40. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 39,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Distanzhalter auf ihrer vom Lichtbogen-Brennraum entfernten Seite eine Isolationsbeschichtung
oder -umhüllung aufweisen.
41. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 40,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste, triggerbare Teilfunkenstrecke durch einen Gasableiter ersetzt ist, welcher
die Ansprechspannung der Gesamtanordnung bestimmt.
42. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch eine Hörnerfunkenstrecke.
43. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch eine Stapelfunkenstrecke.