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Dokumentenidentifikation DE10060426A1 06.06.2002
Titel Gekapselter Überspannungsableiter mit mindestens einer Funkenstrecke
Anmelder Dehn + Söhne GmbH + Co. KG, 92318 Neumarkt, DE
Erfinder Zahlmann, Peter, Dr.-Ing., 92318 Neumarkt, DE;
Ehrhardt, Arnd, Dr.-Ing., 92318 Neumarkt, DE
Vertreter Meissner, Bolte & Partner, 80538 München
DE-Anmeldedatum 05.12.2000
DE-Aktenzeichen 10060426
Offenlegungstag 06.06.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.06.2002
IPC-Hauptklasse H01T 4/02
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen gekapselten Überspannungsableiter mit mindestens einer Funkenstrecke, insbesondere zur Begrenzung von Netzfolgeströmen in Niederspannungsnetzen bei Gleich- oder Wechselstrom, umfassend eine im wesentlichen rotationssymmetrische Lichtbogenkammer mit dort symmetrisch oder koaxial angeordneten Elektroden, wobei zwischen den Elektroden eine Reihenschaltung aus einer hochohmigen Trennstrecke sowie einem hochohmigen, jedoch elektrisch leitenden oder halbleitenden Material bestehenden Abschnitt ausgebildet ist. Senkrecht zur Längsachse der Elektroden verlaufen Magnetfelderzeugungsmittel, welche einen im Überschlagsfall entstehenden Lichtbogen zur Rotation zwingen. Unter Einsatz dieser Magnetfelderzeugungsmittel, aber auch in Kombination besteht die Möglichkeit, zwischen den Elektroden angeordnete Deionplatten zur Aufteilung des im Überschlagsfall sich ergebenden Lichtbogens vorzusehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen gekapselten Überspannungsableiter mit mindestens einer Funkenstrecke, insbesondere zur Begrenzung von Netzfolgeströmen in Niederspannungsnetzen in Gleich- oder Wechselstrom.

Die Begrenzung von Netzfolgeströmen bei Niederspannungs- Funkenstrecken erfordert ein Erhöhen der Lichtbogenspannung bis zum Momentanwert der Netzspannung bzw. darüber hinaus. Verschiedene Methoden zur Erhöhung der Lichtbogenspannung sind aus dem Stand der Technik bekannt und beruhen im allgemeinen auf der Verlängerung des Lichtbogens, der Erhöhung der Anzahl der Elektrodenfallgebiete durch die Unterteilung in Teillichtbögen und auf der Erhöhung der elektrischen Feldstärke des Lichtbogens.

Zur Erhöhung der elektrischen Feldstärke des Lichtbogens wird unter anderem die Kühlung des Lichtbogens durch eine Beströmung mit Gasen bzw. Flüssigkeiten oder durch gasabgebende Stoffe, die Einschnürung des Lichtbogens in Spalte bzw. Kammern und die Druckerhöhung in gekapselten Anordnungen mit Normdruck oder bereits erhöhtem Druck genutzt.

Bei Funkenstreckenableitern ist bei der Anwendung und praktischen Umsetzung der oben genannten Prinzipien zu beachten, daß die primäre Aufgabe die Ableitung von Überspannungen mit den damit verbundenen Stoßströmen ist. Die Lichtbogenbrennspannungen, die bei der Ableitung der Stoßströme auftreten, dürfen dabei bestimmte Maximalwerte nicht überschreiten, da sonst die Koordinierung mit weiteren Schutzelementen nicht realisierbar ist. Aufgrund der geforderten niedrigen Ansprechspannungen kann die Trennstreckenlänge nur minimal sein und eine deutliche Verlängerung der Lichtbogenlänge ist durch die üblichen quasi standardisierten Baugrößen begrenzt.

Bei den bekannten Niederspannungs-Funkenstrecken nach EP 0 706 245 A2, DE 44 39 730 C2 oder EP 0 793 318 A1 wird zum Erhalt einer höheren Lichtbogenspannung und einer Strombegrenzung sowohl die Verlängerung als auch die Aufteilung des Lichtbogens in Teillichtbögen genutzt.

Der Nachteil dieser Lösungen besteht in der relativ niedrigen Lichtbogenspannung zum Zeitpunkt der Lichtbogenzündung von einigen 10 V.

Der Lichtbogen wird zur Einhaltung der geforderten niedrigen Ansprechspannung innerhalb einer sehr kurzen Trennstrecke gezündet. Beim Auftreten von Netzfolgeströmen bewegt und verlängert sich der Lichtbogen erst nach einer bestimmten Verharrzeit, die mehrere µs beträgt, vor allem infolge des Eigenmagnetfelds entlang der Hörnerableiter in dem Bereich der dort gezeigten Deionbleche, wo er zur weiteren Erhöhung der Lichtbogenspannung in Teillichtbögen aufgetrennt wird.

Die damit vergleichsweise langsame Erhöhung der Lichtbogenspannung bewirkt einen nahezu ungehinderten Anstieg des Netzfolgestroms. Die erreichbare Strombegrenzung bleibt somit minimal. Ein weiterer Nachteil der zitierten Ableiter ist ihre ausblasende Ausführung, wodurch eine beachtliche Menge von hocherhitzten und teilweise noch ionisierten Gasen austreten kann. Dies wiederum führt unmittelbar zu einer Gefährdung benachbarter Geräte oder dort vorhandener Installationen. Eine konsequente Kapselung jedoch erhöht erfahrungsgemäß die Zeit bis zur Lichtbogenaufteilung weiter und schränkt die Wirksamkeit des bekannten Funktionsprinzips ein.

Gemäß DE 29 81 0937 U1 wird zur Vermeidung der Verzögerungszeit bis zur Aufteilung des Lichtbogens in Teillichtbögen der Lichtbogen bereits innerhalb der Deionplatten gezündet. Da hierbei die Anzahl der Trennstrecken und der Teillichtbögen identisch ist, kann die Teillichtbogenanzahl aufgrund der geforderten geringen Ansprechspannungen im Niederspannungsbereich nicht sehr hoch gewählt werden. Eine effektive Strombegrenzung ist daher nicht möglich.

Gemäß DE 197 55 082 A1 oder DE 197 42 302 A1 wird das Problem der Reihenschaltung einer größeren Anzahl von Trennstrecken und somit die Funktionsweise nach dem Deionprinzip direkt bei der Lichtbogenzündung derart gelöst, daß außer einer Trennstrecke das Ansprechen aller weiteren Trennstrecken durch eine Potentialsteuerung mittels Widerständen oder Impedanzen oder einer Kombination beider gesteuert wird.

Der Nachteil bei einer solchen Lösung besteht in der aufwendigen angepaßten externen Beschaltung der einzelnen Trennstrecken mit realen Schaltelementen. Weiterhin sind keine Überlastreserven vorhanden. Es kann weder bei Überlast die Lichtbogenspannung über die Zündspannung hinaus gesteigert werden, noch ist eine Schädigung des Trennstreckenmaterials bzw. des Deionplattenmaterials ausgeschlossen. Da der Lichtbogen dort zu keinerlei Bewegung gezwungen wird, kann der Entstehungs- und Verweilort des Lichtbogens bei den gegebenen Belastungen kaum wechseln. Ebenso wenig ist der Abstand der Deionplatten variierbar und im übrigen recht minimal, da dieser in etwa der Trennstreckenlänge entsprechen muß. Bei diesen minimalen Abständen ist aufgrund der extrem kurzen Bogenlängen keine weitere Beeinflussung des Spannungsfalls über der Lichtbogensäule, z. B. durch Bewegung, Kühlung oder Druckerhöhung effektiv. Eine Optimierung der Anzahl der Teillichtbögen und der Länge der Teillichtbögen, wie sie etwa bei Leistungsschaltern üblich ist, kann durch die festen Abstände ebenfalls nicht erfolgen. Die recht geringen Abstände der Deionplatten begünstigen jedoch das Wiederzünden von Lichtbögen nach dem Stromnulldurchgang bei Wechselspannung. Bei Gleichspannung ist das erforderliche Löschen eines einmal gezündeten Folgestromlichtbogens aufgrund der begrenzten Möglichkeiten zur Steigerung der Lichtbogenspannung nahezu ausgeschlossen.

Die Lehre nach DE 197 17 802 A1 offenbart eine Funkenstrecke mit Folgestrombegrenzung, bei der die Lichtbogenspannung infolge der Lichtbogenverlängerung durch das Eigenmagnetfeld mit gasabgebenden Stoffen zur Beblasung und durch Druckerhöhung bis in den Bereich der Netzspannung erhöht wird.

Die Nachteile dieser Funkenstrecke liegen in der zeitverzögerten Erhöhung des Druckes, wodurch die Lichtbogenspannung zu Beginn der Belastung deutlich unterhalb der Netzspannung liegt, sowie in der dortigen ausblasenden Ausführungsform.

Die DE 41 41 681 A1 zeigt ein Überspannungsschutzelement, welches über mindestens zwei zylindrische Elektroden mit wirksamen Luftdurchschlagstrecken verfügt. Zwischen den Elektroden sind stegförmige Zündhilfen für eine Gleitentladung vorgesehen. Die dortige Funkenstrecke ist ausblasend gestaltet und kann aufgrund der Ausführungsform nicht zur Strombegrenzung genutzt werden. Die Anzahl der Teillichtbögen ist durch die Art der Zündhilfen begrenzt, da deren Anzahl und Ausführung in starkem Maße die Ansprechspannung der Funkenstrecke beeinflussen. Durch die stegartigen Zündhilfen können zwar die Überlastungen und Schädigungen, wie sie bei Gleitstrecken aus Polymeren bzw. Keramiken üblich sind, verringert werden, jedoch kann eine Überlastung und Beschädigung der Elektroden nicht ausgeschlossen werden.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen gekapselten Überspannungsableiter mit mindestens einer Funkenstrecke anzugeben, welcher unmittelbar zu Beginn des Folgestromlichtbogens eine Lichtbogenspannung gewährleistet, die im Bereich der Netzspannung liegt und die selbst in Überlastfällen, aber auch bei Gleichspannung in ausreichendem Maße und mit einer ausreichenden Geschwindigkeit erhöht werden kann. Der zu schaffende Überspannungsableiter auf Funkenstreckenbasis soll nach seinem Ansprechen infolge von Überspannungen mögliche Folgeströme in Niederspannungsnetzen sowohl bei Wechselspannung als auch bei Gleichspannung stark in Dauer und Höhe begrenzen bzw. unterdrücken. Damit gilt es, empfindliche Geräte vor zu starken und langhaltenden Absenkungen der Netzspannung zu schützen, wobei das Ansprechen bzw. die Störung von anderen Schutz- bzw. Meßeinrichtungen des Netzes verhindert werden soll.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen gekapselten Überspannungsableiter in den Ausführungsformen gemäß der Lehre nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt demnach darin, daß der Folgestromlichtbogen in einer bevorzugt rotationssymmetrischen, gekapselten Lichtbogenkammer mit Unterteilungen nach dem Deionprinzip durch angelegte Magnetfelder sowohl durch Pinchen eingeschnürt als auch zu einer kontinuierlichen Rotation gezwungen wird.

Das Deionprinzip gewährleistet sofort bei der Entstehung des Folgestromlichtbogens einen Wert der Lichtbogenspannung im Bereich der Netzspannung, der nicht weiter unterschritten werden kann.

Die minimale Höhe der Lichtbogenspannung ULB kann somit aus der Anzahl der Elektrodenfallspannung UAK bestimmt werden. Dieser Wert ist im wesentlichen abhängig von dem Elektrodenmaterial und nur minimal abhängig von der Stromstärke.

Der Spannungsabfall der Lichtbogensäule liefert einen weiteren Beitrag zur Erhöhung der Lichtbogenspannung, welcher sich aus dem Produkt der Lichtbogenlänge ILB und der elektrischen Feldstärke e des Bogens ergibt.

Vereinfacht kann die Lichtbogenspannung wie folgt berechnet werden:



ULB = UAK + eILB

Durch das Anlegen von Magnetfeldern erfolgt eine Krafteinwirkung auf das Eigenmagnetfeld des Lichtbogens, so daß dieser sofort bei seiner Entstehung eingeschnürt wird. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung der elektrischen Feldstärke e, wodurch die Lichtbogenspannung gegenüber einem unbeeinflußten Lichtbogen erhöht ist.

Mittels der Magnetfelder wird der Lichtbogen nach einer material- und stromabhängigen Verharrzeit zusätzlich zur Rotation gezwungen. Hierdurch kühlt sich der Lichtbogen ab und es ergibt sich eine Verlängerung der Bogenlänge und damit eine weitere Steigerung der Lichtbogenspannung.

Durch die vorgesehene Kapselung der Funkenstrecke ergibt sich ein Druckanstieg insbesondere bei längeren Lichtbogenzeiten, z. B. bei Gleichspannung, so daß eine weitere Steigerung der elektrischen Feldstärke e die Folge ist und damit ebenso sich die Lichtbogenspannung erhöht. Die kontinuierliche Lichtbogenwanderung verbessert sowohl das Abbrandverhalten der Elektroden als auch das Wiederzündverhalten positiv. Das oder die Magnetfelder können durch Spulen, Stromschleifen, aber auch Permanent- bzw. Dauermagnete erzeugt werden. Erfindungsgemäß kommen sowohl homogene als auch wechselnde Magnetfelder sowie Prallfelder zur Verwendung.

Die erfindungsgemäße Funkenstrecke besitzt nur ein reale hochohmige Trennstrecke, welche ihr Ansprechverhalten bestimmt. Diese Trennstrecke befindet sich innerhalb einer der Deionkammern und erstreckt sich über einen Teil oder über die gesamte Länge dieser Kammer. Die anderen Deionkammern sind ein- oder beidseitig mit elektrisch leitenden Polymeren, Keramiken, Halbleitern bzw. Varistormaterialien verbunden. Nach dem Überschlag der hochohmigen Trennstrecke können kleine, leistungsarme Impulsströme durch dieses Material zu den Hauptelektroden abgeleitet werden.

Leistungsstarke Stromimpulse würden hier zu einer Überlastung dieser Materialien führen. Durch die direkte Verbindung dieser Materialien mit den Deionplatten löst sich bei starker Belastung der Strom quasi aus dem Material. Über eine Gleitentladung entlang der Oberfläche zündet der Lichtbogen nahezu gleichzeitig in allen Deionkammern. Damit kann ein stromstarker Lichtbogen somit bei nahezu beliebigen und von der Trennstreckenlänge unabhängigen Längen und variablen Abständen der Deionkammern als Reihenschaltung einer beliebigen Anzahl von Teillichtbögen gezündet werden. Eine äußere Beschaltung einer solchen Funkenstrecke zur Potentialsteuerung ist nicht notwendig.

Das oben genannte Prinzip hat die nachstehenden Vorteile inne. Bei energiearmen Störimpulsen wird kein Lichtbogen in allen Deionkammern gezündet. Ein Netzfolgestrom kann somit in einer Vielzahl von Fällen vermieden werden. Weiterhin ist in diesem Falle die Belastung der Deionkammern und damit des Ableiters selbst gering.

Durch die von der Trennstreckenlänge bzw. von der Zündspannung unabhängigen Abstände der Deionkammern kann eine problemlose Optimierung der unabhängigen Einflußmöglichkeiten, wie Elektrodenfallanzahl, Säulenlänge, Stärke des Magnetfelds bzw. Verlängerung des Lichtbogens durch Aufweitung und Bewegung desselben erfolgen. Dies erlaubt nicht nur eine Optimierung zur Erhöhung der Lichtbogenspannung, sondern auch die gezielte Beeinflussung des Wiederzündverhaltens und der Abbrandeigenschaften.

Durch das angelegte Magnetfeld werden alle freibeweglichen Ladungsträger innerhalb der Funkenstrecke sofort beeinflußt und aus dem Zündbereich wegtransportiert. Dies bewirkt zum einen, daß nach energiearmen Entladungen die Bedingungen für das Zünden eines Folgestroms extrem verschlechtert werden und zum anderen, daß ein entstehender Lichtbogen in eine kontinuierliche Rotation versetzt wird, wodurch der Abbrand minimierbar ist. Ein solcher minimierter Abbrand führt jedoch zu einer geringeren Alterung der Funkenstrecke. Aus diesem Grund können preiswertere Materialien verwendet oder andererseits der Lichtbogen länger getragen werden. Dies ist insbesondere bei Gleichspannungsanwendungen von Vorteil.

Die kontinuierliche Bewegung des Lichtbogens kann bei einer Kapselung der Funkenstrecke mit Hilfe des entstehenden Drucks zu einer erheblichen Leistungssteigerung genutzt werden. Die Lichtbogenspannung kann so bei lang andauernden Überlastungen, d. h. Spannungsanhebungen erhöht werden und sich gegebenenfalls höheren Belastungen quasi automatisch anpassen.

Grundsätzlich umfaßt der gekapselte Überspannungsableiter nach der Erfindung mindestens eine Funkenstrecke innerhalb einer im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Lichtbogenkammer mit dort symmetrisch oder koaxial angeordneten Elektroden.

Zwischen den Elektroden befindet sich eine Reihenschaltung aus einer hochohmigen Trennstrecke sowie einem hochohmigen, jedoch elektrisch leitenden oder halbleitenden Material. Diese Reihenschaltung ist in einem Abschnitt zwischen den Elektroden befindlich und mit diesen in Kontakt stehend.

Bei einer ersten Ausführungsform sind senkrecht zur Längsachse der Elektroden verlaufende Magnetfelderzeugungsmittel vorgesehen, welche einen im Überschlagsfall entstehenden Lichtbogen beeinflussen, insbesondere zur Rotation zwingen.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird auf die Magnetfelderzeugungsmittel verzichtet, wobei jedoch hier zwischen den Elektroden angeordnete Deionplatten den Lichtbogen im Überschlagsfall zur Aufteilung zwingen.

Eine dritte Ausführungsform der Erfindung geht von einer Kombination der beschriebenen Magnetfelderzeugungsmittel und der Deionplatten zur Aufteilung des im Überschlagsfall sich ausbildenden Lichtbogens aus.

Zur gezielten Führung des Lichtbogens besitzen die Elektroden bei koaxialem Aufbau mindestens einen Abschnitt geringeren Abstands, wobei in diesem Bereich die dort vorhandenen Deionplatten eine größere Dicke aufweisen.

Die hochohmige Trennstrecke schließt sich gemäß der Erfindung entweder unmittelbar an eine der Elektroden an und ist im Randbereich der Lichtbogenkammer angeordnet oder aber es wird die hochohmige Trennstrecke als Abschnitt innerhalb des Bereichs aus dem elektrisch leitenden oder halbleitenden Material ausgebildet.

Bei einer koaxialen Ausführungsform der Elektroden des Überspannungsableiters ist ausgehend von der Innenelektrode ein Abschnitt vorgesehen, der sich hinein in den bevorzugten Überschlagsweg des Lichtbogens erstreckt und der aus einem halbleitenden oder leitfähigen Material besteht. Dieser Abschnitt kann dann eine oder mehrere der im Raum zwischen den Elektroden befindlichen Deionplatten verbinden.

Bei einer Zylinderanordnung des Ableiters stehen sich die Elektroden quasi im Bereich der Boden- und Deckfläche des Zylinders gegenüber und die Reihenschaltung wird im wesentlichen entlang der Zylinderachse ausgebildet. In diesem Fall sind die Magnetfelderzeugungsmittel z. B. in Form von Dauermagnetplatten zur Ausbildung eines Prallfelds vorgesehen.

In einer weiteren Ausführungsform stehen die Deionplatten nicht mit der Reihenschaltung in Kontakt, sondern sind hiervon beabstandet. Unter Magnetfeldeinwirkung kann sich dann der Lichtbogen entlang der Elektroden in die von den Deionplatten gebildeten kammerartigen Abschnitte hineinbewegen.

Erfindungsgemäß besteht das Trennstreckenmaterial aus einem Polymer, bzw. POM oder PTFE. Ebenso können hierfür Keramiken, insbesondere Glaskeramiken zur Anwendung kommen.

Der weitere Abschnitt der Reihenschaltung aus einem hochohmigen, jedoch leitenden oder halbleitenden Material kann aus einem leitfähigen Polymer, d. h. einem Polymer mit Metall- oder Graphitfasern bzw. Ruß- oder Graphitpartikeln bestehen. Weiterhin kommen auf Siliziumkarbid basierende elektrisch leitende oder halbleitende Keramiken oder solche auf ZnO-Basis zum Einsatz. Ebenso besteht die Möglichkeit, elektrisch leitende oder halbleitende Gläser oder Kupferoxidmaterialien zu verwenden.

Die Elektrodenmaterialien basieren auf Wolfram, Kupfer oder Kupferlegierungen, Graphit oder elektrisch leitenden Keramiken.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Grundprinzip des Überspannungsableiters mit der Reihenschaltung zwischen den Elektroden sowie Magnetfelderzeugungsmitteln;

Fig. 2 eine Anordnung gemäß Fig. 1, jedoch mit Deionplatten und Verzicht auf eine magnetische Beblasung;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Überspannungsableiters sowohl mit magnetischer Beblasung als auch Deionplatten;

Fig. 4 eine Ausführungsform des Überspannungsableiters mit Elektroden, welche Verdickungsabschnitte aufweisen und hierzu entsprechend korrespondierenden Deionplatten unterschiedlicher Dicke;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des Überspannungsableiters mit einer Trennstrecke, die von hochohmigen, jedoch leitenden oder halbleitenden Abschnitten umgeben ist;

Fig. 6a, 6b Längsschnitts- sowie Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform des Überspannungsableiters mit Deionplatten und einem von der zentralen Elektrode sich zur Außen- oder Randelektrode erstreckenden fingerartigen Abschnitt zur Steuerung und Lichtbogenbeeinflussung;

Fig. 7 eine Ausführungsform des Überspannungsableiters nach Art eines Zylinders sowie einem sich ausbildenden magnetischen Prallfeld;

Fig. 8 eine Ausführungsform des Überspannungsableiters mit konisch geformten Elektroden, welche eine Wanderung des Lichtbogens hinein in die Zwischenräume von Deionplatten anregen, wobei die Deionplatten von der Reihenschaltung beabstandet angeordnet sind;

Fig. 9 eine ähnliche Ausführungsform wie in Fig. 8 gezeigt, jedoch bei einer koaxialen Anordnung von Elektroden, die wiederum konische oder schräg verlaufende Abschnitte besitzen, um ein gezieltes Wandern des Lichtbogens hinein in die Kammern zwischen den Deionplatten zu bewirken; und

Fig. 10 eine Ausführungsform mit zusätzlicher Triggerelektrode.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß alle figürlichen Darstellungen nur den prinzipiellen Aufbau der Überspannungsableiter zeigen, wobei ganz bewußt auf eine Darstellung von Stromzuführungen bzw. der Kapselung verzichtet wurde.

Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 1 wird von einer koaxialen Anordnung einer äußeren Elektrode 1 und einer inneren Elektrode 2 ausgegangen.

Eine hochohmige Trennstrecke 3 schließt sich an eine der Elektroden, beim gezeigten Beispiel die Außenelektrode 1 an. Der hochohmigen Trennstrecke 3 benachbart ist ein Abschnitt 4 aus einem hochohmigen, aber elektrisch leitenden oder halbleitenden Material. Die hochohmige Trennstrecke 3 und der Abschnitt 4 stellen eine Reihenschaltung dar, die sich zwischen den Elektroden 1 und 2 befindet.

Magnetfelderzeugungsmittel 5, z. B. in Form von Spulen oder Dauermagneten, bewirken eine Rotation des sich im Überschlagsfall ausbildenden, nicht gezeigten Lichtbogens.

Vorzugsweise wird von einer koaxialen Elektrodenanordnung mit einem oder mehreren homogenen Magnetfeldern ausgegangen, jedoch sind auch Überspannungsableiter mit teller- oder ringförmigen Elektroden sowie magnetischen Prallfeldern, wie in den Fig. 7 oder 8 gezeigt, realisierbar.

In dem Fall, wenn zwischen den Elektroden 1 und 2 eine Überspannung anliegt, welche die Spannungsfestigkeit der Trennstrecke 3, die als Gleitstrecke ausgelegt ist, übersteigt, kommt es zu einem Überschlag zwischen der Elektrode 1 und dem Abschnitt 4.

Der Abschnitt 4 kann aufgrund seiner Materialeigenschaften kleine Impulsströme bis zur Elektrode 2 abführen. Bei Strömen von mehreren 10 Ampere oder bei längeren Zeitdauern käme es jedoch zu einem Überlasten dieses Materials. Es entwickelt sich daher an der Oberfläche des Materials im Abschnitt 4 eine Gleitentladung, welche sich schließlich vom Material löst und in einen Lichtbogen zwischen den Elektroden 1 und 2 übergeht.

Durch das vorhandene Magnetfeld aufgrund der Magnetfelderzeugungsmittel 5 werden die freibeweglichen Ladungsträger beim Überschlagen der Trennstrecke 3 bzw. beim Überschlagen der minimalen Lichtbogenstrecke bei Folgestrom aus dem Überschlagsbereich bewegt.

Nach dem Abklingen des Stoßvorgangs steht nur noch der Momentanwert der Netzspannung für die gesamte Überschlagstrecke zur Verfügung. Durch den Abtransport der Ladungsträger reicht diese Spannung insbesondere bei energiearmen Stoßentladungen nicht mehr zum Zünden eines Folgestromlichtbogens aus. Damit kann das Risiko eines Netzfolgestroms deutlich reduziert werden.

Kommt es zum Netzfolgestrom, wird der damit verbundene Lichtbogen zwischen den Elektroden 1 und 2 durch das Magnetfeld kontinuierlich zur Rotation gezwungen. Der Lichtbogen verlöscht bei Wechselspannungen im Stromnulldurchgang. Die Gefahr des Wiederzündens wird durch das bestehende Magnetfeld reduziert.

Aufgrund der kontinuierlichen Bewegung des Lichtbogens neigen die Elektroden wenig zum partiellen Aufschmelzen, wodurch die Thermoemission und die Bildung von Punkten hoher Feldstärke reduziert ist.

Bei Gleichspannungen ohne natürlichen Stromnulldurchgang muß zur Stromlöschung die Lichtbogenspannung über die treibende Netzspannung gesteigert werden. Dies kann bei einer gekapselten Anordnung durch eine allmähliche Druckerhöhung innerhalb der Funkenstrecke erfolgen. Durch den geringen Elektrodenabbrand kann die Zeitdauer für die Spannungserhöhung und die Lichtbogenlöschung bei Gleichspannung, bei der kein natürlicher Stromnulldurchgang auftritt, mehrere 10 ms betragen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind wiederum zwei Elektroden 1 und 2 zur Bildung der Funkenstrecke vorhanden. Eine Trennstrecke 3 und ein Abschnitt 4 sind analog der Erläuterungen zur Fig. 1 ausgebildet. Die Reihenschaltung aus den Abschnitten 3 und 4 dient analog einer Verlängerung der minimalen Lichtbogenstrecke bei Folgestrom.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 verzichtet auf eine magnetische Beblasung, jedoch sind Deionplatten 6 vorhanden, durch welche ein Lichtbogen zwischen den Hauptelektroden 1 und 2 in mehrere Teillichtbögen bei seiner Entstehung aufgeteilt wird.

Die Geometrie der Anordnung nach Fig. 2 kann koaxial, zylindrisch oder auch quaderförmig sein, wobei die Dicke der Deionplatten 6 im Bereich von 0,2 bis 2 mm und der Plattenabstand gleichmäßig oder ungleichmäßig gewählt sein kann. Die Plattenabstände können im Bereich zwischen 0,1 und im wesentlichen 5 mm variieren.

Nach dem Überschlag der Trennstrecke 3 fließt der Strom durch das Material des Abschnitts 4 zur Hauptelektrode 2. Wird die Strombelastbarkeit des Materials im Abschnitt 4 überschritten, bildet sich in den einzelnen zwischen den Platten 6 entstehenden Deionkammern recht schnell eine Gleitentladung, die sich dann von der Oberfläche löst. Der Lichtbogen zündet dann zwischen den einzelnen Deionplatten und den Hauptelektroden.

Die erreichbare Lichtbogenspannung wird im wesentlichen durch die Elektroden- und Deionplattenmaterialien, die Anzahl der Deionkammern und die Gesamtlichtbogenlänge bestimmt. Die Lichtbogenspannung kann nur im gekapselten Zustand durch die Druckerhöhung entscheidend gesteigert werden.

Bei einer Kombination von Magnetfelderzeugungsmitteln 5 und Deionplatten 6 gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 kann der Lichtbogen mit Hilfe des entstehenden Magnetfelds kontinuierlich bewegt werden. Hierbei resultieren zusätzliche Möglichkeiten zur Spannungssteigerung und es ist die Realisierung von längeren Lichtbogenzeiten, z. B. bei Gleichspannungsanwendungen unproblematisch.

Die Deionplatten 6 bei den Ausführungsformen nach Fig. 2 und 3 reichen mit ihren Fußpunkten bis unmittelbar zum Abschnitt 4 und erstrecken sich nahezu über die gesamte Längsausdehnung der Elektroden 1 und 2.

Bei der Variation der Geometrie der Elektrode 1 und der Deionplatten 6 nach Fig. 4 ergibt sich die Möglichkeit, die im Überspannungsableiter grundsätzlich notwendigen Isolationsmaterialien zu entlasten. Auch führt die sich ergebende Engstelle aufgrund der gegenüberliegenden dickeren Abschnitte der Elektroden und/oder Deionplatten zu einer Entlastung der Trennstrecke 3 bzw. des Abschnitts 4, indem der Lichtbogen definiert geführt wird.

Alternativ zu einer Trennstrecke 3, die sich an die Außenelektrode 1 anschließt, kann gemäß Fig. 5 die Trennstrecke 3 auch von dem Abschnitt 4 umgeben oder eingebettet sein.

Mit Hilfe der Ansichten nach den Fig. 6a und 6b sei eine koaxiale Funkenstrecke gezeigt, bei der ein Bereich oder ein Teil der entstandenen Deionkammern zwischen den Deionplatten 6 durch einen halbleitenden oder leitfähigen Abschnitt 7, der sich im bevorzugten Überschlagsweg befindet, verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine Reduzierung der Lichtbogenspannung bei Stoßimpulsen, insbesondere der Form 10/350 µs. Hierdurch kann der Energieeintrag bei Blitzbelastung erheblich reduziert werden. Bei auftretendem Folgestrom kann der resultierende Lichtbogen durch ein entsprechendes Magnetfeld (die Magnetfelderzeugungsmittel sind in der Fig. 6a, 6b nicht gezeigt) weiterhin in die Deionkammern hineingezwungen werden. Die Lichtbogenspannung bricht bei jedem Umlauf des Bogens nur kurzzeitig zusammen.

Die zylinderförmige Funkenstrecke mit Deionkammern zwischen den Deionplatten 6 nach Fig. 7 entspricht vom Grundsatz her dem Aufbau der Funkenstrecke nach Fig. 3, jedoch führen die Magnetfelderzeugungsmittel 5 zu einem magnetischen Prallfeld.

Der in der Fig. 8 prinzipiell dargestellte Überspannungsableiter weist von den Deionplatten 6 gebildete Deionkammern auf, die oberhalb der verlängerten Überschlagsstrecke angeordnet sind. Durch die zueinander gewandten konischen Verläufe der Elektroden 1 und 2 wird der Lichtbogen hinein in den Bereich der beabstandet angeordneten Deionplatten 6 hinein bewegt. Bei Blitzbelastung kann durch die vergleichsweise niedrige Bogenspannung der Energieeintrag minimiert werden. Bei Folgestrom bewegt sich der Lichtbogen unter Krafteinwirkung des Magnetfelds mittels der Magnetfelderzeugungsmittel 5 entlang der Zylinderelektroden 1 und 2 hinein in die Deionkammern, wo er dann einer kontinuierlichen Bewegung unterliegt. Die konische Ausbildung von Abschnitten der Elektroden bzw. das Ausbilden einer Phase dient, wie erläutert, der Unterstützung der Lichtbogenwanderung.

Ähnlich wie zu Fig. 8 erläutert, ist bei dem Überspannungsableiter nach Fig. 9 für einen Abstand der Deionplatten 6 von der Trennstrecke 3 bzw. dem Abschnitt 4 der Reihenschaltung Sorge getragen. Auch hier ergibt sich durch den konischen oder schrägen Verlauf der Elektroden 1 und 2 am unteren Ende ein Hineinwandern des Lichtbogens in die Deionkammern, d. h. die Räume zwischen den Deionplatten 6.

Die Deionplatten 6 sowie die Elektroden 1 und 2 basieren auf Wolfram, Kupfer oder Kupferlegierungen, Graphitmaterialien oder elektrisch leitenden Keramiken.

Für die Trennstrecke 3 kommen Polymere, z. B. POM oder PTFE, aber auch Glaskeramiken oder Keramiken zum Einsatz.

Der hochohmige, jedoch leitende oder halbleitende Abschnitt 4 besteht aus leitfähigen Polymeren, d. h. solchen mit Metall-, Graphitfasern oder Ruß- bzw. Graphitpartikeln. Auch können auf Siliziumkarbid basierende elektrisch leitende und halbleitende Keramiken oder solche auf ZnO-Basis eingesetzt werden. Ebenso ist die Verwendung von elektrisch leitenden oder halbleitenden Gläsern oder Kupferoxiden denkbar. Das Material des fingerartigen Abschnitts 7 entspricht ja nach zugewiesener Funktion entweder dem Elektrodenmaterial oder aber auch demjenigen des Abschnitts 4 der Reihenschaltung aus Trennstrecke und dem sich anschließenden hochohmigen, jedoch leitenden oder halbleitenden Material.

Gemäß Fig. 10 kann durch Integration einer weiteren Elektrode 8 bevorzugt im Teil 3 (hochohmige Trennstrecke) die Funkenstrecke triggerbar ausgeführt werden.

Diese zusätzliche Triggerelektrode 8 kann in einer koaxialen Anordnung ringförmig ausgebildet sein. Ebenfalls ist eine stiftförmige Ausführung der Elektrode möglich. Des weiteren kann die Elektrode auch zwischen dem Teil 3 und dem Teil 4 bzw. im Teil 4 selbst eingebracht werden. Der Einsatz dieser zusätzlichen Elektroden kann auch bei allen weiteren Varianten, z. B. auch bei Ausführungen mit Deionplatten realisiert werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Gekapselter Überspannungsableiter mit mindestens einer Funkenstrecke, insbesondere zur Begrenzung von Netzfolgeströmen in Niederspannungsnetzen bei Gleich- oder Wechselstrom, umfassend eine im wesentlichen rotationssymmetrische Lichtbogenkammer mit dort symmetrisch oder koaxial angeordneten Elektroden, wobei zwischen den Elektroden eine Reihenschaltung aus einer hochohmigen Trennstrecke sowie einem hochohmigen, jedoch elektrisch leitenden oder halbleitenden Material bestehenden Abschnitt ausgebildet ist und senkrecht zur Längsachse der Elektroden verlaufende Magnetfelderzeugungsmittel, welche einen im Überschlagsfall entstehenden Lichtbogen zur Rotation zwingen.
  2. 2. Gekapselter Überspannungsableiter mit mindestens einer Funkenstrecke, insbesondere zur Begrenzung von Netzfolgeströmen in Niederspannungsnetzen bei Gleich- oder Wechselstrom, umfassend eine im wesentlichen rotationssymmetrische Lichtbogenkammer mit dort symmetrisch oder koaxial angeordneten Elektroden, wobei zwischen den Elektroden eine Reihenschaltung aus einer hochohmigen Trennstrecke sowie einem hochohmigen, jedoch elektrisch leitenden oder halbleitenden Material bestehenden Abschnitt ausgebildet ist und zwischen den Elektroden angeordnete Deionplatten zur Aufteilung des im Überschlagsfall sich ausbildenden Lichtbogens.
  3. 3. Gekapselter Überspannungsableiter mit mindestens einer Funkenstrecke, insbesondere zur Begrenzung von Netzfolgeströmen in Niederspannungsnetzen bei Gleich- oder Wechselstrom, umfassend eine im wesentlichen rotationssymmetrische Lichtbogenkammer mit dort symmetrisch oder koaxial angeordneten Elektroden, wobei zwischen den Elektroden eine Reihenschaltung aus einer hochohmigen Trennstrecke sowie einem hochohmigen, jedoch elektrisch leitenden oder halbleitenden Material bestehenden Abschnitt ausgebildet ist, senkrecht zur Längsachse der Elektroden verlaufende Magnetfelderzeugungsmittel, welche einen im Überschlagsfall entstehenden Lichtbogen zur Rotation zwingen, und zwischen den Elektroden angeordnete Deionplatten zur Aufteilung des im Überschlagsfall sich ausbildenden Lichtbogens.
  4. 4. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Deionplatten im Bereich von 0,1 bis 5 mm liegt.
  5. 5. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des Lichtbogens die Elektroden bei koaxialem Aufbau mindestens einen Abschnitt geringeren Abstands besitzen, wobei in diesem Bereich die dort vorhandenen Deionplatten eine größere Dicke aufweisen.
  6. 6. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hochohmige Trennstrecke unmittelbar an eine der Elektroden anschließt und im Randbereich der Lichtbogenkammer angeordnet ist.
  7. 7. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hochohmigen Trennstrecke benachbart jeweils Abschnitte aus dem elektrisch leitenden oder halbleitenden Material, insgesamt die Reihenschaltung bildend, angeordnet sind.
  8. 8. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von der Innenelektrode bei koaxialem Aufbau des Ableiters sich ein halbleitender oder leitfähiger Abschnitt hinein in den bevorzugten Überschlagsweg erstreckt, wobei der Abschnitt eine oder mehrere der Deionplatten verbindet oder isoliert von den Deionplatten angeordnet ist.
  9. 9. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Zylinderanordnung des Ableiters die Elektroden gegenüberliegend ausgebildet sind und die Reihenschaltung im wesentlichen entlang der Zylinderachse verläuft, wobei Deionplatten, konzentrisch die Reihenschaltung umgebend, zwischen den Elektroden angeordnet sind, wobei die Magnetfelderzeugungsmittel zur Ausbildung eines Prallfelds dienen.
  10. 10. Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Deionplatten zur Reihenschaltung beabstandet angeordnet sind, wobei unter Magnetfeldeinwirkung sich der Lichtbogen entlang der Elektroden in die von den Deionplatten gebildeten kammerartigen Abschnitte hineinbewegt.
  11. 11. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennstreckenmaterial ein Polymer wie POM oder PTFE ist oder aus Keramik oder Glaskeramik besteht.
  12. 12. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige oder halbleitende hochohmige Material der Reihenschaltung aus einem leitfähigen Polymer mit Metall- oder Graphitfasern sowie Ruß- oder Graphitpartikeln, eine auf Siliziumkarbid basierende elektrisch leitende oder halbleitende Keramik, ein elektrisch leitendes oder halbleitendes Glas ist oder auf ZnO oder Kupferoxiden basiert.
  13. 13. Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Reihenschaltung eine zusätzliche Triggerelektrode angeordnet oder eine Deionplatte als solche ausgeführt ist.






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