[0001] Die Erfindung betrifft eine getriggerte Funkenstrecke in flacher Bauform für Überspannungsableiter.
Bei bekannten Blitzstromableitern werden Mehrfachfunkenstrecken verwendet, um ein
ausreichendes Folgestromlöschvermögen zu gewährleisten. Je mehr Funkenstrecken in
Reihe geschaltet werden, um so größer wird das Folgestromlöschvermögen. Andererseits
tritt hierbei aber eine unerwünschte Erhöhung der Ansprechspannung auf.
[0002] Je mehr Funkenstrecken eingesetzt werden, um so größer wird die Ansprechspannung
des Systems.
[0003] Um die Ansprechspannung und damit den Schutzpegel zu reduzieren, kann zum Beispiel
eine kapazitive Steuerung der Funkenstrecken eingesetzt werden. Hierbei sind trotzdem
technische Grenzbedingungen gegeben, die bei einer Erhöhung der Funkenstreckenanzahl
ebenfalls die Ansprechspannung erhöhen.
[0004] Eine andere Möglichkeit besteht darin, nur eine Funkenstrecke mit einem Graphitgranulatsystem
in Reihe zu schalten. Durch die Verwendung einer einzelnen Funkenstrecke ist eine
niedrige Ansprechspannung gegeben. Das Granulatsystem ist vor dem Stromfluss niederohmig
und entwickelt während des Stromflusses eine hohe Gegenspannung beziehungsweise Dämpfung,
um der Einfachfunkenstrecke das Löschen des Folgestromes zu ermöglichen.
[0005] Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Funkenstrecke mit großer Schlagweite
und einem schmalen Kanal für den Lichtbogen zu verwenden. Lichtbögen durch schmale
Räume zu leiten, die vorzugsweise aus kaltgasendem Material (POM oder PTFE) bestehen,
führt zu einer Erhöhung der Lichtbogenbrennspannung und damit zu einer Verbesserung
des Folgestromlöschverhaltens. Da bei einem solchen System aufgrund der großen Schlagweite
die Ansprechspannung sehr hoch wäre, müsste eine externe Zündung dieser Funkenstrecke
erfolgen.
[0006] Das Prinzip der hier betroffenen getriggerten Funkenstrecke ist folgendes:
Beim Ansprechen der Triggerfunkenstrecke wird ionisiertes Gas erzeugt, das sich in
dem entsprechenden System ausbreitet und die Hauptfunkenstrecke zwischen dem Anschluss
der Phase und Nullleiter zündet. Die Triggerfunkenstrecke liegt mit einem Varistor
in Reihe, so dass hier nur ein erster Strom bis zum Zünden der Hauptfunkenstrecke
fließt, weil die Spannung am Varistor größer ist als die Lichtbogenbrennspannung der
Hauptfunkenstrecke.
[0007] Die Hauptfunkenstrecke ist außerdem so bemessen, dass die Lichtbogenbrennspannung
größer ist als die Netzspannung, so dass ein Netzfolgestrom nicht entstehen kann.
[0008] Die diesbezüglich üblichen Geräte, die dieses Prinzip nutzen, werden in einer zylindrischen
Bauform gefertigt, wobei die Hauptelektroden (L und N, aber auch N und PE) axial an
den Enden angebracht sind. Der zylindrische Körper stellt dann die Verbindung zur
Triggerelektrode her.
[0009] Die Triggerung besteht in der Regel aus einem spannungsbegrenzenden Varistor oder
einer Reihenschaltung aus Varistor und Gasableiter, wenn eine ausreichende Isolation
beziehungsweise Leckstromfreiheit der Triggerfunkenstrecke nicht gegeben ist.
[0010] Ist eine ausreichend niedrige Ansprechspannung der Triggerfunkenstrecke nicht gegeben,
werden zum Beispiel Schaltungen mit Zündtransformatoren eingesetzt. Dadurch wird die
niedrige Ansprechspannung des Gesamtsystems sichergestellt.
[0011] Der Aufbau von Überspannungsableitern mit Funkenstrecken, die aus scheibenförmigen
Elementen bestehen, ist beispielsweise aus der
DE 297 24 817 U1 oder der
EP 2 916 401 A1 bekannt.
[0012] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die diesen Systemen anhaftenden Nachteile
zu vermeiden und eine Funkenstrecke in flacher Bauform zu schaffen, die den standardisierten
Einsatz von nur einer Teilungseinheit (17,5 mm) in Verteilergehäusen ermöglicht, so
dass solche Blitzstromableiter in einfacher Weise in herkömmlichen Verteilungen installiert
werden können.
[0013] Die Erfindung schlägt hierzu eine getriggerte Zweifachfunkenstrecke in flacher Bauform
vor, mit zwei Hauptelektroden, die zwischen L und N oder N und PE geschaltet sind,
wobei die Hauptelektroden quaderartig ausgebildet sind und mechanisch, also elektrisch
voneinander isoliert, miteinander verbunden sind,
- wobei in der Mitte der ersten Hauptelektrode ein Hohlzylinder aus lichtbogenbeständigem
Material angeordnet ist,
- wobei auf der ersten Hauptelektrode auf der der zweiten Hauptelektrode zugewandten
Fläche eine Isolierscheibe mit einem mittigen Loch angeordnet ist, welches maximal
den Hohlzylinder freigibt,
- wobei auf der Isolierscheibe eine scheibenförmige Metallelektrode angeordnet ist,
die ein Mittelloch aufweist, welches größeren Durchmesser aufweist als das mittige
Loch der Isolierscheibe, so dass ein kreisförmiger Raum bis zum Hohlzylinder gebildet
ist und eine Isolierstrecke bildet,
- wobei die Metallelektrode über eine Impedanz mit der ersten Hauptelektrode elektrisch
leitend verbunden ist,
- wobei auf der Metallelektrode eine erste Scheibe aus niederohmig leitfähigen Material
angeordnet ist, die einen inneren Lochkreis mit mehreren Löchern aufweist, die das
Mittelloch der Metallelektrode zum größten Teil überdecken,
- wobei auf der ersten Scheibe eine zweite Scheibe aus Isoliermaterial angeordnet ist,
die einen inneren Lochkreis mit mehreren Löchern aufweist, deren Position und Größe
der Lage und Größe der Löcher der ersten Scheibe gleicht,
- wobei auf der zweiten Scheibe eine dritte Scheibe aus lichtbogenbeständigem, elektrisch
leitendem Material angeordnet ist, die an der Fläche der zweiten Hauptelektrode anliegt,
die der ersten Hauptelektrode zugewandt ist.
[0014] Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die erste Hauptelektrode und die zweite Hauptelektrode
mittels Schrauben verbunden sind, die von Isolierhülsen umgeben sind und die in Eckbereichen
der, zum Beispiel quadratischen, quaderförmigen Hauptelektrode angeordnet sind, die
neben der Isolierscheibe, der Metallelektrode und den Scheiben ohne diese zu berühren
positioniert sind.
[0015] Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass der Hohlzylinder ausgebildet ist als Kontaktierung
des Lichtbogens und zur Druckreduzierung im Inneren des Funkenstreckenpaketes.
[0016] Auch ist bevorzugt, dass der Hohlzylinder aus Wolframkupfer besteht.
[0017] Alternativ kann auch bevorzugt sein, dass der Hohlzylinder aus Graphit besteht.
[0018] Bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass die Isolierscheibe aus PTFE besteht.
[0019] Auch kann vorgesehen sein, dass die Isolierscheibe aus POM besteht.
[0020] Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Isolierscheibe aus Nomex oder Vulkanfiber
besteht.
[0021] Der Funktion und auch flachen Bauform ist förderlich, dass der Hohlzylinder eine
Durchgangsöffnung von 3 bis 5 mm aufweist.
[0022] Aus dem gleichen Grunde ist bevorzugt, dass die scheibenförmige Metallelektrode eine
Materialstärke von 0,4 bis 1,2 mm aufweist.
[0023] Ebenso aus dem gleichen Grunde ist vorgesehen, dass das Mittelloch der Metallelektrode
einen Durchmesser von 17 bis 23 mm aufweist.
[0024] Des Weiteren ist bevorzugt, dass die Impedanz durch einen Varistor, eine Supressordiode,
einen Gasableiter oder eine Kombination aus diesen gebildet ist.
[0025] Auch kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die erste Scheibe aus PTFE mit Kohle oder
Graphit besteht.
[0026] Bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass die erste Scheibe einen inneren Lochkreis mit
3 bis 6 Löchern aufweist.
[0027] Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Löcher der ersten Scheibe einen Durchmesser
von 1,5 bis 6 mm aufweisen.
[0028] Auch ist bevorzugt, dass die zweite Scheibe aus PTFE, Nomex oder Vulkanfiber besteht.
[0029] Zudem ist bevorzugt, dass die dritte Scheibe aus Graphit oder Wolframkupfer besteht.
[0030] Ein Ausführungsbeispiel der getriggerten Zweifachfunkenstrecke ist in der Zeichnung
dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
[0031] Es zeigt:
Figur 1 ein entsprechendes Bauteil in isometrischer Ansicht;
Figur 2 das Bauteil im mittleren Querschnitt gesehen;
Figur 3 eine Explosionsdarstellung des Bauteiles.
[0032] Im Ausführungsbeispiel ist zwischen der ersten Hauptelektrode 1 und der zweiten Hauptelektrode
2, die durch Schrauben 9 und Isolierhülsen 8 mechanisch verbunden, aber elektrisch
isoliert sind, das Funkenstreckensystem angeordnet.
[0033] In der Mitte der ersten Hauptelektrode 1 befindet sich ein Hohlzylinder 10 aus lichtbogenbeständigem
Material, zum Beispiel Wolframkupfer oder Graphit, der sowohl der Kontaktierungen
des Lichtbogens als auch der Druckreduzierung im Inneren der Funkenstrecke dient.
[0034] Auf der ersten Hauptelektrode 1 liegt eine Isolierscheibe 7, die zum Beispiel aus
PTFE oder POM besteht, mit einem mittigen Loch, welches nur maximal die Mündung des
Hohlzylinders 10 freigibt. Auf dieser Isolierscheibe 7 liegt eine scheibenförmige
Metallelektrode 6, die zum Beispiel aus Kupfer besteht, mit einer bevorzugten Materialstärke
von ca. 0,5 bis 1,0 mm und einem Mittellochdurchmesser von ca. 18 bis 22 mm, wodurch
sich ein kreisförmiger Raum bildet, der zum Hohlzylinder 10 hin somit eine Isolierstrecke
von einigen Millimetern bildet.
[0035] Diese Metallelektrode 6 ist mit der ersten Hauptelektrode 1 über eine Impedanz 11
verbunden. Diese Impedanz 11 kann durch einen Varistor, eine Supressordiode oder einen
Gasableiter gebildet werden oder auch aus einer Kombination dieser Bauteile.
[0036] Auf der Metallelektrode 6 liegt eine erste Scheibe 5 aus niederohmig leitfähigem
Material, zum Beispiel PTFE mit Kohle, die einen inneren Lochkreis aus im Ausführungsbeispiel
vier Löchern mit einem Durchmesser von ca. 2 bis 5 mm aufweist. Die Löcher dieses
Lochkreises sind so angebracht, dass sie in der Montagesolllage mit ihren äußeren
Bereichen deutlich das Mittelloch der Metallelektrode 6 überlappen, also einen großen
Durchgang bilden.
[0037] Die Löcher des Lochkreises liegen zum großen Teil ihrer Erstreckung in dem Bereich,
der von dem Mittelloch der Metallelektrode 6 überdeckt ist, damit das entstehende
Plasma diesen Bereich gut verlassen kann.
[0038] Auf der ersten Scheibe 5 liegt eine dünne isolierende zweite Scheibe 4, die aus PTFE,
Vulkanfiber oder Nomex besteht und die das gleiche Lochbild wie die erste Scheibe
5 besitzt. Die zweite Scheibe 4 weist eine Dicke von ca. 0,2 bis 0,4 mm auf.
[0039] Auf der zweiten Scheibe 4 liegt eine dritte Scheibe 3 aus lichtbogenbeständigem Material,
beispielsweise Graphit oder Wolframkupfer, deren Durchmesser deutlich größer ist als
der Durchmesser der Lochkreise der Scheiben 4 und 5.
[0040] Die vier Löcher bilden mit der Metallelektrode 6 und den Scheiben 3 bis 5 die Triggerfunkenstrecken
zum Zünden der Hauptfunkenstrecke.
[0041] Die dritte Scheibe 3 kontaktiert direkt mit der zweiten Hauptelektrode 2. In der
Installationssituation liegt an den Hauptelektroden 1 und 2 die Netzspannung U
N an.
[0042] Die Funktion ist wie folgt:
Beim Auftreten einer Überspannung, die größer als die Ansprechspannung des Funkenstreckensystems
ist, fließt zunächst ein Strom über die Reihenschaltung aus Impedanz 11, Metallelektrode
6, niederohmiger Scheibe 5 und dritter Scheibe 3. Dabei bildet ein Überschlag zwischen
der ersten Scheibe 5 und der dritten Scheibe 3 einen ersten Lichtbogen. Die Ansprechspannung
wird dabei durch die isolierende zweite Scheibe 4 bestimmt. In welchem der vier Löcher
der Triggerfunkenstrecken des Lochkreises das Ansprechen stattfindet ist willkürlich.
Ein erstes Ansprechen direkt über die Strecke von dritter Scheibe 3 zum Hohlzylinder
10 ist aufgrund der großen Schlagweite nicht möglich.
[0043] Nach dem Ansprechen der Funkenstrecke zwischen der ersten Scheibe 5 und der dritten
Scheibe 3 fließt zunächst ein erster Strom durch das Material der niederohmig leitfähigen
ersten Scheibe 5. Kurze Zeit später verlässt der Strom das Material der ersten Scheibe
5 als Lichtbogen, wobei sich ein Außenüberschlag oder ein Gleitüberschlag bildet.
Dadurch wird der Lichtbogen zwischen Metallelektrode 6 und dritter Scheibe 3 um die
Materialstärke der ersten Scheibe 5 verlängert, was zu einer Erhöhung der umgesetzten
Leistung führt. Aus diesem zeitlichen Ablauf ergibt sich durch die Strombelastung
ein stark nichtlinearer Verlauf hinsichtlich der Restspannung.
[0044] Durch die höhere Lichtbogenleistung entsteht mehr Plasma zur Zündung der Hauptfunkenstrecke
zwischen dem Hohlzylinder 10 und den Löchern/Triggerfunkenstrecken zur dritten Scheibe
3. Das in den Löchern entstehende Plasma beginnt nun den Raum, gebildet durch das
Mittelloch der Metallelektrode 6 und das Volumen der Löcher der Triggerfunkenstrecken
zu füllen. Sobald das Plasma den in der Hauptelektrode 1 befindlichen Hohlzylinder
10 erreicht hat, beginnt das Ableiten des Stoßstromes von den freien Bereichen der
dritten Scheibe 3 zu dem Hohlzylinder. Da jetzt der gesamte Raum mit leitfähigem Plasma
gefüllt ist, werden nun alle Bereiche der Scheibe 3 in den Ableitvorgang einbezogen.
Daher können die Durchmesser der Löcher in den Scheiben 4 und 5 relativ klein sein,
ohne dass es zu einer Überlastung kommt.
[0045] Da die Gegenspannung/Lichtbogenspannung hier kleiner ist als in dem Parallelpfad
mit der Impedanz 11 und den Triggerfunkenstrecken, fließt der Stoßstrom ab jetzt über
die Hauptfunkenstrecke. Die Gegenspannung/Lichtbogenspannung ist dabei immerhin so
groß, dass ein Netzfolgestrom verhindert oder stark reduziert wird.
[0046] Um ein erneutes Zünden der Überspannungsschutzvorrichtung zu vermeiden, wird das
Plasma durch die Bohrung im Hohlzylinder 10 ausgeworfen und zudem in dem flachen Raum
der Scheibe 6 durch die Scheiben 5 und 7 gekühlt.
Erläuternd sei noch Folgendes hinzugefügt:
[0047] Die Graphitscheibe 7 bildet mit der Kupferelektrode 6 die Funkenstrecke der Triggerfunkenstrecke,
die mit der Impedanz 11 (Varistor) in Reihe liegt. Das Plasma der Funkenstrecke entsteht
in einer der vier Triggerfunkenstrecken und zündet dann die Hauptfunkenstrecke mit
dem Kupferhohlzylinder 10 als zweite Hauptelektrode. Durch die versetzten Löcher in
den Scheiben 4 und 5 und aufgrund der Materialstärke der Kupferelektrode 6 bildet
sich ein flacher Bereich für den Lichtbogen. Dadurch erhöht sich die Gegenspannung
und begrenzt oder verhindert den Folgestrom. Der Kupferhohlzylinder 10 ermöglicht
ein Verlassen des Plasmas aus der Funkenstrecke und damit ein notwendiges Ablassen
der Druckspitze aus der Funkenstrecke.
[0048] Durch die große Schlagweite (PTFE-Scheibe 4 + PTFE-Scheibe mit Kohle) wird der Lichtbogen
der Triggerfunkenstrecke um die Stärke des PTFE-Rings beziehungsweise der PTFE-Scheibe
mit Kohle 5 verlängert, wodurch die elektrische Leistung erhöht wird und mehr Plasma
zum Zünden der Hauptfunkenstrecke entsteht.
[0049] Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht nicht den tatsächlichen
Maßverhältnissen. In Wirklichkeit ist die Kantenlänge des Quaders in Figur 1 etwa
3 cm. Die Höhe beträgt ca. 15 mm. Bezüglich der Einzelbestandteile sind die Abmessungen
schon oben angegeben worden. Insgesamt ist damit durch die flache Bauform und auch
die schmale Bauform sichergestellt, dass der standardisierte Einsatz von nur einer
Teilungseinheit (17,5 mm) in Verteilergehäusen möglich ist.
[0050] Einbau in übliche Sicherungskästen mit einer 17,5 mm Teilung zwanglos ermöglicht
ist.
[0051] Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen
der Offenbarung insgesamt variabel.
[0052] Alle in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale
werden als erfindungswesentlich angesehen.
1. Getriggerte Zweifachfunkenstrecke in flacher Bauform mit Hauptelektroden (1,2), die
zwischen elektrische Leiter L und N oder N und PE geschaltet sind, wobei die Hauptelektroden
(1,2) quaderartig ausgebildet sind und mechanisch, aber elektrisch voneinander isoliert,
miteinander verbunden sind,
- wobei in der Mitte der ersten Hauptelektrode (1) ein Hohlzylinder (10) aus lichtbogenbeständigem
Material angeordnet ist,
- wobei auf der ersten Hauptelektrode (1) auf der der zweiten Hauptelektrode (2) zugewandten
Fläche eine Isolierscheibe (7) mit einem mittigen Loch angeordnet ist, welches maximal
den Hohlzylinder (10) freigibt,
- wobei auf der Isolierscheibe (7) eine scheibenförmige Metallelektrode (6) angeordnet
ist, die ein Mittelloch aufweist, welches größeren Durchmesser aufweist als das mittige
Loch der Isolierscheibe (7), so dass ein kreisförmiger Raum bis zum Hohlzylinder (10)
gebildet ist und eine Isolierstrecke bildet,
- wobei die Metallelektrode (6) über eine Impedanz (11) mit der ersten Hauptelektrode
(1) elektrisch leitend verbunden ist,
- wobei auf der Metallelektrode (6) eine erste Scheibe (5) aus niederohmig leitfähigen
Material angeordnet ist, die einen inneren Lochkreis mit mehreren Löchern aufweist,
die das Mittelloch der Metallelektrode (6) zum größten Teil überdecken,
- wobei auf der ersten Scheibe (5) eine zweite Scheibe (4) aus Isoliermaterial angeordnet
ist, die einen inneren Lochkreis mit mehreren Löchern aufweist, deren Position und
Größe der Lage und Größe der Löcher der ersten Scheibe gleicht,
- wobei auf der zweiten Scheibe (4) eine dritte Scheibe (3) aus lichtbogenbeständigem,
elektrisch leitendem Material angeordnet ist, die an der Fläche der zweiten Hauptelektrode
(2) anliegt, die der ersten Hauptelektrode (1) zugewandt ist.
2. Funkenstrecke nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hauptelektrode (1) und die zweite Hauptelektrode (2) mittels Schrauben
(9) verbunden sind, die von Isolierhülsen (8) umgeben sind und die in Eckbereichen
der Hauptelektroden (1,2) angeordnet sind, die neben der Isolierscheibe (7), der Metallelektrode
(6) und den Scheiben (5, 4, 3) ohne diese zu berühren positioniert sind.
3. Funkenstrecke nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (10) ausgebildet ist als Kontaktierung des Lichtbogens und zur Druckreduzierung
im Inneren des Funkenstreckenpaketes.
4. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (10) aus Wolframkupfer besteht.
5. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (10) aus Graphit besteht.
6. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierscheibe (7) aus PTFE besteht.
7. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierscheibe (7) aus POM besteht.
8. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierscheibe (7) aus Nomex oder Vulkanfiber besteht.
9. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder (10) eine Durchgangsöffnung von 3 bis 5 mm aufweist.
10. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die scheibenförmige Metallelektrode (6) eine Materialstärke von 0,4 bis 1,2 mm aufweist.
11. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelloch der Metallelektrode (6) einen Durchmesser von 17 bis 23 mm aufweist.
12. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz (11) durch einen Varistor, eine Supressordiode, einen Gasableiter oder
eine Kombination aus diesen gebildet ist.
13. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Scheibe (5) aus PTFE mit Kohle oder Graphit besteht.
14. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Scheibe (5) einen inneren Lochkreis mit 3 bis 6 Löchern aufweist.
15. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher der ersten Scheibe (5) einen Durchmesser von 1,5 bis 6 mm aufweisen.
16. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Scheibe (4) aus PTFE, Nomex oder Vulkanfiber besteht.
17. Funkenstrecke nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Scheibe (3) aus Graphit oder Wolframkupfer besteht.