EP0808004B1 - Verfahren zur Löschung des Lichtbogens eines Netzfolgestromes in einer Funkenstrecke, sowie Funkenstreckenanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Löschung des Lichtbogens eines Netzfolgestromes in einer Funkenstrecke, sowie Funkenstreckenanordnung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0808004B1
EP0808004B1 EP97107014A EP97107014A EP0808004B1 EP 0808004 B1 EP0808004 B1 EP 0808004B1 EP 97107014 A EP97107014 A EP 97107014A EP 97107014 A EP97107014 A EP 97107014A EP 0808004 B1 EP0808004 B1 EP 0808004B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
spark gap
arc
gas
gap arrangement
current
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97107014A
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English (en)
French (fr)
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EP0808004A1 (de
Inventor
Jörg Dipl.-Ing. Pospiech
Friedhelm Prof.Dr.-Ing. Noack
Peter Dr.-Ing. Hasse
Peter Dr.-Ing. Zahlmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Dehn and Soehne GmbH and Co KG filed Critical Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Publication of EP0808004A1 publication Critical patent/EP0808004A1/de
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Publication of EP0808004B1 publication Critical patent/EP0808004B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/02—Means for extinguishing arc
    • H01T1/08—Means for extinguishing arc using flow of arc-extinguishing fluid
    • H01T1/10—Means for extinguishing arc using flow of arc-extinguishing fluid with extinguishing fluid evolved from solid material by heat of arc

Definitions

  • Spark gap arrangements are based on, among other things a preferred component due to its high energy dissipation capacity for overvoltage protection.
  • high voltage technology are discharge lines with a tubular, an arc combustion chamber surrounding housing and at the ends of the Provided housing known.
  • the hollow cylindrical Arc combustion chamber is inside with a Heating by the arc-emitting insulating material Mistake. Because of the aforementioned hollow cylindrical
  • the extinguishing gas can be arranged from all sides flow radially against the arc (see e.g. DE 710 387, and a blow gap according to CH 234 227). A statement or information about a current limitation is not to be found in the aforementioned references.
  • DE 759 626 also shows an electrode which is located within a Insulating block made of gas-emitting material is embedded and has an approximately conical bore, so that there the arc extinguishing gas acts on it from all sides.
  • the short-circuit current (so-called prospective short-circuit current) relatively high, e.g. Is 50 kA.
  • spark gap arrangements installed in low voltage supply systems, and this relates to the present invention, it can when discharging an overvoltage to a line follow current come.
  • a method for deleting the Arc of a line follow current of a surge current-carrying, to be used in low voltage supply systems Spark gap provided, for limiting the follow current Extinguishing gas flow radially from all sides against the arc of the line follow current is blown and this blowing over about the entire length of the arc is done using an extinguishing gas that is from an insulating material (Hard gas) of the spark gap is released, as well also an adjustment of the mass flow rate from the Spark gap arrangement outflowing heated gases takes place.
  • the hard gas used can be, for example, POM (polyoxymethylene) or PMMA (polymethylene methacrylate) or PTFE (Polytetrafluoroethylene).
  • a spark gap arrangement using the method according to claim 1 is the subject of claim 2.
  • Zum State of the art of the use claimed here in low-voltage supply systems is based on the above statements, e.g. also on the spark gap arrangement already mentioned referred to in DE-OS 29 34 236.
  • the electrodes kept at a distance by means of an insulating piece.
  • a chamber encloses the area of the arc discharge with a cylindrical circumferential wall made of insulating material (Hard gas) provided, which under the influence of heat Extinguishing gas releases.
  • This construction is relative complicated. It only does the above Pushing the arc away from a gap between the two electrodes. The ionized gases are released to the outside blown.
  • Another advantage of the invention is that already mentioned Self-control by the amount of through the Thermal radiation of the arc produced quenching gases from the depends on the strength of the arc current.
  • a very high arc current releases the correspondingly large amount of extinguishing gas required while a smaller arc compared to that correspondingly smaller amount of extinguishing gas from the hard gas material generated.
  • the method and the associated spark gap arrangement according to the invention thus create a automatic and current-dependent control of the arc resistance.
  • prospective Follow current in the network especially a low-voltage network limit to a few 100 A.
  • the spark gap arrangement automatically creates the most favorable extinguishing conditions.
  • such self-regulation already serves described above, by creating an essentially ohmic resistance of the arc itself without common zero crossing resulting in special control means the voltage and current curve.
  • the spark gap arrangement shown in FIGS. 1 and 2 for use in low-voltage supply systems consists of a first electrode 1, a second electrode 2, an insulating material body 3 which emits a gas when heated and a housing-like carrier element 4.
  • a rectilinear arc 6 is provided between these two electrodes and within the insulating body 3.
  • the carrier element 4 and the insulating material body 3 are each designed as hollow cylinders.
  • the insulating material body 3 can be designed as a hollow cylindrical lining of the inner wall of the carrier element 4.
  • the insulating material body 3 preferably consists of a so-called hard gas, ie a material that releases an extinguishing gas when heated appropriately.
  • a hard gas ie a material that releases an extinguishing gas when heated appropriately.
  • These can be, for example, POM (polyoxymethylene) as the preferred embodiment, and alternatively also PMMA (polymethylene methacrylate), or PTFE (polytetrafluoroethylene).
  • the insulating or hard gas body 3 surrounds the hollow cylindrical space in its interior, namely the above-mentioned arc combustion chamber 5.
  • this chamber 5 On the end faces of this chamber 5 there are the electrodes 1, 2, between which, in the event of a rollover, the rectilinear arc 6, which thus forms in the Central longitudinal axis AA of this spark gap arrangement and thus also runs in the central longitudinal axis of the arc combustion chamber 5.
  • the thermal energy emitted to the environment, in particular radiant heat from the arc 6, releases the quenching gas from the hard gas of the insulating body 3, which according to the arrows 7 from all sides of the hollow cylindrical jacket made of hard gas into the chamber 5 and thereby radially inward against the plasma of the Arc 6 flows.
  • the high resistance of the arc 6 necessary for effective current limitation is achieved by means of the cooling of the arc 6 which is hereby optimized by means of the gas flow 7.
  • an extinguishing gas that is particularly suitable for this purpose is used (see the examples above).
  • This also includes, for example, H 2 , SF 6 . It can also be seen that the advantageous radial blowing of the arc by the quenching gas is particularly promoted by the hollow cylindrical design of the arc chamber 6.
  • the gas heated by the arc flows through a Passage opening 8 of the electrode 2 according to the arrows 9 outward.
  • the opening 8 is preferably also hollow cylindrical formed and surrounds the central longitudinal axis A-A.
  • the heated gas is located in the arc combustion chamber a very high pressure that the desired cooling effect strengthened.
  • the gas can flow out through the opening 8 reach a speed that is a multiple of Speed of sound, i.e. of 1 mach. through Varying the diameter D2 of the passage opening 8 you can see the residence time of the gases in the arc combustion chamber and thus the conditions of the energy exchange between Affect arc and quenching gas.
  • the speed of passage of the hot gases through the opening 8 can by designing the cross section accordingly Opening 8 can be varied. Examples of this are shown in FIG. 3 and 4.
  • a small exit speed of the heated gases from the opening 8 causes a corresponding small mass throughput and thus a long dwell time heated gases in the arc combustion chamber.
  • the direction of flow 15 is hot gases. It only penetrates the cross section D1 smaller entry area of the passage opening 8 and occurs at their larger exit area in cross section D2 out. This causes a reduction in the exit speed compared to the entry speed at D1.
  • a cross-sectional shape according to FIG. 4 is also possible.
  • the one out the arc combustion chamber according to arrow 15 coming current heated gases first enter the narrowing Area 8 so that the speed of the gas flow up to a constriction 8 "and thus the mass throughput increased there accordingly.
  • Area 8 ' increases in the gas flow direction 15 its cross section.
  • this area 8 '"then decreases the speed of passage the gases.
  • the effect of this arrangement after Fig. 4 is that the narrowed opening 8 "only so large chooses that the gases released by a surge current can still be conveyed straight through, their Exit speed from the constriction 8 "as large as possible should be.
  • Fig. 5 shows two spark gap arrangements F according to the Invention within an installation housing 16, this Spark gap arrangements electrically connected in series are. The respective external connections are 17 and an electrical connection between the two spark gap arrangements numbered at 18. The from the spark gap arrangements escaping gas flows 19 are through openings 20 of the installation housing dissipated to the outside. A similar Arrangement, however, is for only one spark gap arrangement F. 6.
  • the figures according to Fig. 5th are for only one spark gap arrangement F.

Landscapes

  • Circuit Breakers (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Insulators (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Discharge Heating (AREA)

Description

Funkenstreckenanordnungen stellen unter anderem aufgrund ihres großen Energieableitvermögens ein bevorzugtes Bauteil für den Überspannungsschutz dar. In der Hochspannungstechnik sind Entladungsstrecken mit einem rohrförmigen, eine Lichtbogenbrennkammer umgebenden Gehäuse und an den Enden des Gehäuses vorgesehenen Elektroden bekannt. Die hohlzylindrische Lichtbogenbrennkammer ist innenseitig mit einem bei Erhitzung durch den Lichtbogen Löschgas abgebenden Isoliermaterial versehen. Aufgrund der vorgenannten hohlzylindrischen Anordnung kann das Löschgas von allen Seiten her radial gegen den Lichtbogen strömen (siehe z.B. DE 710 387, und eine Blasfunkenstrecke gemäß CH 234 227). Eine Aussage oder Hinweise über eine Strombegrenzung ist den vorgenannten Literaturstellen nicht zu entnehmen. Ferner zeigt DE 759 626 eine Elektrode, die innerhalb eines Isolierblockes aus Gas abgebendem Material eingebettet ist und eine etwa konische Ausbohrung aufweist, so daß dort das den Lichtbogen löschende Gas von allen Seiten auf ihn wirkt. Weil beim Einsatz in der Hochspannungstechnik die vorbekannten Blasrohre in der Lage sind, den Kurzschlußstrom beim Nulldurchgang des Netzes einwandfrei zu löschen. Dies ist aber beim Einsatz in Niederspannungsnetzen nicht möglich, da hier der Kurzschlußstrom (sog. prospektiver Kurzschlußstrom) relativ hoch, z.B. 50 kA ist. Bei Funkenstreckenanordnungen, die in Niederspannungsversorgungssystemen installiert sind, und hierauf bezieht sich die vorliegende Erfindung, kann es bei der Ableitung einer Überspannung zu einem Netzfolgestrom kommen. Aus diesem Grund ergibt sich für derartig eingesetzte Geräteanordnungen die Forderung nach einem einwandfreien Folgestromlöschvermögen. Hierzu sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt, mit denen bei Funkenstrecken zwar ein gewisses Folgestromlöschvermögen erreicht wird. Der gegenwärtig erreichte Wert liegt bei einigen kA. Da in der Praxis in Niederspannungsnetzen der an den Einbauorten auftretende Folgestrom dieses Löschvermögen häufig übersteigt, sind Schutzeinrichtungen (z.B. Sicherungen) zum Schutz der Funkenstrecke notwendig. Hierzu ist in der Niederspannungstechnik ein Verfahren gemäß DE-OS 29 34 236 bekannt. Dabei wird ein quer zum Lichtbogen strömender, diesen aber nur von einer Seite her treffender Gasstrom erzeugt. Dieser bewirkt zwar eine Ausdehnung des Lichtbogens, was zur Erhöhung der Bogenfeldstärke und damit zur Förderung des Löschvorganges beiträgt. Diese Aufweitung des Lichtbogens bedingt nachteiligerweise entsprechend große geometrische Abmessungen der Funkenstreckenanordnung. Auch ist dies an bestimmte geometrische Bedingungen für die Form der Elektroden gebunden. Die hiermit erzielte Kühlung des Lichtbogens ist allerdings relativ gering, da der Gasstrom das Plasma des Lichtbogens nur von einer Seite her trifft und im wesentlichen um die Lichtbogensäule herumgeleitet wird. Eine ähnlich wirkende Funkenstreckenanordnung ist aus DE-OS 29 34 238 bekannt. Mit den vorbekannten Anordnungen ist eine Stromreduzierung auf ca. die Hälfte des unbeeinflussten Wertes des Folgestromes erreichbar. Aus DE 566 462 ist ein Druckgasschalter mit druckgasbeblasenen Elektroden bekannt. Hierbei wird in Axialrichtung einer der Elektroden ein Druckgas in das Innere einer Kammer geblasen. Nahe der Kammerinnenwand ist ein Rohr angebracht, wobei zwischen Kammerinnenwand und Rohr ein schmaler Zwischenraum bzw. Trennfuge gebildet ist. Das Rohr besitzt Durchtrittsöffnungen, durch welche das eingebrachte Gas in die vorgenannte Trennfuge eintreten kann. Hiermit sollen Kriechstrecken verhindert und dadurch die Isolierfestigkeit erhöht werden. Eine Anblasung des im Überschlagsfall gebildeten Lichtbogens findet nicht statt. Die Literaturstelle DE 38 29 650 A1 beschreibt eine Löschfunkenstrecke, bei der die durch den Überschlag bzw. Lichtbogen gebildeten heißen Gase mit Hilfe von Löschlöchern und Ausblasöffnungen ausgeblasen werden sollen. Sämtliche vorgenannten Literaturstellen geben daher keine Anregung gemäß der Aufgabenstellung und Lösung der vorliegenden Erfindung. Aus DE-C-732002 ist ein Verfahren, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Funkenstreckenanordnung, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 2 bekannt.
Die Aufgaben- bzw. Problemstellung der Erfindung besteht demgegenüber darin, ein Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Funkenstreckenanordnung zum Einsatz in Niederspannungsversorgungssystemen derart zu schaffen, daß eine wesentlich intensivere, d.h. eine stärker begrenzende und schneller wirkende Löschung des Netzfolgestromes erreicht wird. Es soll jeder nach dem Ableitvorgang des Stoßstromes fließende Netzfolgestrom selbsttätig auf einen so kleinen Restwert begrenzt werden, daß eine Unterbrechung im nachfolgenden Stromnulldurchgang völlig unproblematisch ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zur Löschung des Lichtbogens eines Netzfolgestromes einer stoßstromtragfähigen, in Niederspannungsversorgungssystemen einzusetzenden Funkenstrecke vorgesehen, wobei zur Folgestrombegrenzung ein Löschgasstrom von allen Seiten radial her gegen den Lichtbogen des Netzfolgestromes geblasen wird und diese Anblasung über etwa die gesamte Länge des Lichtbogens erfolgt, und zwar unter Verwendung eines Löschgases, das von einem Isoliermaterial (Hartgas) der Funkenstrecke abgegeben wird, sowie ferner eine Einstellung das Massendurchsatzes der aus der Funkenstreckenanordnung ausströmenden erhitzten Gase erfolgt. Das verwendete Hartgas kann beispielsweise POM (Polyoxymethylen) oder PMMA (Polymethylenmethacrylat) oder PTFE (Polytetrafluorethylen) sein. Es befindet sich der Lichtbogen des Netzfolgestromes konzentrisch in dem radial von allen Seiten gegen ihn strömenden Gasstrom. Diese konzentrische Gasströmung erfaßt somit das Plasma des Lichtbogens allseitig und bewirkt nicht nur eine seitliche Anströmung. Dies hat eine sehr intensive und schnelle Kühlung des Lichtbogens zur Folge. Durch diese optimale Kühlung des Lichtbogens wird ein für eine effektive Strombegrenzung notwendiger großer Lichtbogenwiderstand erreicht mit dem Effekt, daß der noch fließende Reststrom (Netzfolgestrom) nur etwa 2 - 5% des Betrages des möglichen Kurzschlußstromes beträgt. Dabei ist es durch die Einstellung des Massendurchsatzes der aus der Funkenstreckenanordnung ausströmenden erhitzten Gase möglich, die Verweilzeit der Gase in der Lichtbogenbrennkammer und damit die Bedingungen des Energieaustausches zwischen Lichtbogen und Löschgas zu beeinflussen, da dies vom vorgenannten Massendurchsatz abhängt. Solange im Innern der Löschkammer der hohe Stoßstrom fließt, ist der Druck in dieser Kammer sehr groß und hat einen maximalen Massendurchsatz zur Folge, der eine Ausströmgeschwindigkeit größer als mach 1 ergibt. Fließt dann der gegenüber dem Stoßstrom wesentlich kleinere Netzfolgestrom, so reduziert sich der Druck in der Löschkammer entsprechend und es kommt dann in der Ausströmdüse zu einem Verdichtungsstoß. Der Massendurchsatz geht zurück, die Verweilzeit des Wasserstoffes des Löschgases in der Kammer steigt an und hierdurch wird die Kühlung des Lichtbogens aufgrund der größeren Verweilzeit verbessert. Dies wiederum hat ein Ansteigen der Bogenspannung zur Folge, die zur beschriebenen günstigen Wirkung für die Löschung des Netzfolgestromes führt. Außerdem wird die o.g. Kühlwirkung noch durch die Druckerhöhung im Innern der Funkenstrecke und damit im Bereich des Lichtbogens erhöht. Es erfolgt also selbsttätig eine wesentlich schnellere und dabei auch intensivere Reduzierung des Netzfolgestromes als beim Stand der Technik. Somit wird im Sinne der Aufgabenstellung nach dem Ableitvorgang des Stoßstromes fließende Netzfolgestrom selbständig auf einen Restwert begrenzt der so klein ist, daß seine Unterbrechung im nachfolgenden Stromnulldurchgang erfolgt. Die vorstehend erläuterte Reduzierung des Netzfolgestromes auf einen kleinen Restwert hat den weiteren Vorteil, daß der Verschleiß der aktiven Bauteile der Funkenstrecke sehr gering ist. Der Einsatz weiterer strombegrenzender Elemente oder Sicherungen, die bei vorbekannten Schaltungen vorgesehen sind, entfällt und zwar unabhängig von der Größe des o.g. prospektiven Kurzschlußstromes bei Einbau in allen vorkommenden Niederspannungsnetzen. Zur Unterstützung der vorgenannten Vorteile trägt noch der nachfolgend erläuterte, ebenfalls selbsttätig eintretende Effekt bei: Durch das intensive Kühlen des Lichtbogens wird dessen Feldstärke und damit die Bogenspannung erhöht. Dies hat eine Erhöhung des ohmschen Widerstandes des Lichtbogens zur Folge. Dies bedeutet, daß der Anteil dieses ohmschen Widerstandes in Relation zum induktiven Widerstand des Netzes hierdurch wesentlich größer wird, d.h. der Wert des Cos. ϕ nähert sich 1. Hiermit wird der bei solchen Funkenstreckenanordnungen bekannte Einschwingvorgang, bei dem der Stromnulldurchgang und der Spannungsnulldurchgang aufgrund der dabei vorhandenen Phasenverschiebung nicht zusammenfallen, mit der Erfindung entweder ganz vermieden oder zumindest in der Amplitude sehr klein und sehr schnell beendet. Durch das Nullwerden der Spannung über der Funkenstrecke beim Erreichen des Nulldurchgangs des Stromes werden die günstigsten Bedingungen für die Löschung des Netzfolgestromes erreicht. Es sind also somit zwei Effekte vorhanden, nämlich zum einen die schnelle Reduzierung des Betrages des Netzfolgestromes und zum zweiten die Reduzierung der wiederkehrenden Spannung des Netzes an der Funkenstrecke durch den gemeinsamen Nulldurchgang von Strom und Spannung, wobei diese Effekte synergistisch zusammenwirken. Die Verwendung eines Löschgases, das von einem Isoliermaterial (Hartgas) der Funkenstrecke abgegeben wird, macht eine externe Druckgasquelle, wie sie z.B. bei der o.g. Literaturstelle DE 566 462 erforderlich ist, überflüssig. Da die Funkenstrecke sowieso ein Isoliermaterial aufweisen muß wird hiermit weder ein weiteres Bauteil notwendig noch ein zusätzlicher Raum erforderlich. Somit steht das Löschgas zum richtigen Zeitpunkt und zwar sofort zur Verfügung, nämlich wenn der Lichtbogen zündet.
Eine Veränderung des o.g. Massendurchsatzes erfolgt durch eine Einstellung der Austrittsgeschwindigkeit der aus der Funkenstreckenanordnung ausströmenden erhitzten Gase. Da diese Gase eine sehr hohe Geschwindigkeit von über 1 mach haben können ist eine solche Einstellung auch deswegen von Vorteil oder zumindest zweckmäßig, um die durch eine hohe Ausströmgeschwindigkeit erzeugten Geräusche zu reduzieren.
Eine Funkenstreckenanordnung in Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 ist Gegenstand des Anspruches 2. Zum Stand der Technik des hier beanspruchten Einsatzes in Niederspannungsversorgungssystemen wird auf die obigen Ausführungen, z.B. auch auf die bereits erwähnte Funkenstreckenanordnung gemäß DE-OS 29 34 236 verwiesen. Dabei sind die Elektroden mittels eines Isolierstückes auf Abstand gehalten. Eine den Bereich der Bogenentladung umschließende Kammer ist mit einer zylindrischen umlaufenden Wand aus Isolierstoff (Hartgas) versehen, der bzw. das unter Wärmeeinwirkung das Löschgas abgibt. Dieser konstruktive Aufbau ist relativ kompliziert. Er bewirkt lediglich das eingangs erwähnte Wegdrücken des Lichtbogens aus einem Spalt zwischen den beiden Elektroden. Die ionisierten Gase werden nach außen geblasen. Wie ebenfalls erwähnt ist nur ein relativ kleiner Energieaustausch zwischen dem kalten Gas und dem heißen Lichtbogen möglich. Unter Vermeidung dieser Nachteile ist die erfindungsgemäße Funkenstreckenanordnung konstruktiv einfach und robust. Ihr Raumbedarf ist sehr gering. Auch ist die Anordnung funktionell von Vorteil. Der Lichtbogen des Netzfolgestromes verläuft geradlinig und zwar etwa in der Mittellängsachse des Zylinders zwischen den beiden stirnseitig positionierten Elektroden. Das von allen Seiten, d.h. von der Innenfläche des Hartgas her konzentrisch auf den Lichtbogen strömende Gas drückt gegen das Plasma des Lichtbogens und kann nicht, wie bei dem zum Einsatz in Niederspannungsversorgungssystemen bekannten Stand der Technik, seitlich vom Plasma ausweichen, da dies durch das von den anderen Seiten her zuströmende Gas verhindert wird. Durch die Verwendung eines Hartgases kommt der weitere Vorteil hinzu, daß die Hitzestrahlung des Lichtbogens in weniger als einer Millisekunde, d.h. im Mikrosekundenbereich, den Austritt von Gas aus dem Hartgasmaterial und damit dem Beginn der Löschung des Netzfolgestromes bewirkt. Hiermit ergibt sich ein sehr schnelles Anwachsen der Bogenspannung und damit eine entsprechend schnelle Strombegrenzung. Dies wirkt synergistisch mit dem zuvor geschilderten Effekt eines gemeinsamen Nulldurchganges der Spannungs- und der Stromkurve, und damit der Vermeidung eines Einschwingvorganges zusammen. Die Löschung des Netzfolgestromes wird ferner dadurch gefördert, daß die vorgenannten Gase den Druck im Innern der Lichtbogenbrennkammer erhöhen und dies die Feldstärke und damit die Bogenspannung erhöht, wodurch sich der Netzfolgestrom verkleinert. Der vorstehend erläuterte Effekt ist nur bei Niederspannung möglich, weil dann die Bogenspannung gleich oder größer als die Netzspannung ist. Dagegen ist dieser Effekt bei Hochspannungsblasrohren gemäß dem Stand der Technik nicht erreichbar.
Von Vorteil ist mit der Erfindung ferner die bereits angesprochene Selbststeuerung, indem die Menge des durch die Wärmestrahlung des Lichtbogens erzeugten Löschgase von der jeweiligen Stärke des Lichtbogenstromes abhängt. Hiermit ergibt sich automatisch, daß ein sehr hoher Lichtbogenstrom die entsprechend notwendige große Menge an Löschgas freisetzt, während ein demgegenüber kleinerer Lichtbogen eine entsprechend kleinere Menge an Löschgas aus dem Hartgasmaterial erzeugt. Das Verfahren und die zugehörige Funkenstreckenanordnung nach der Erfindung schaffen also eine selbsttätige und stromabhängige Steuerung des Lichtbogenwiderstandes. Hiermit kann man den möglichen, prospektiven Folgestrom im Netz, insbesondere einem Niederspannungsnetz auf einige 100 A begrenzen. Die Funkenstreckenanordnung schafft sich selbsttätig die günstigsten Löschbedingungen. Zum anderen dient einer solchen Selbststeuerung der bereits vorstehend beschriebene, durch die Schaffung eines im wesentlichen ohmschen Widerstandes des Lichtbogens sich ohne besondere Steuerungsmittel ergebende gemeinsame Nulldurchgang der Spannungs- und der Stromkurve.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind sowohl den weiteren Unteransprüchen, auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird, als auch der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen, im wesentlichen schematischen Zeichnung von erfindungsgemäßen Ausführungsmöglichkeiten zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1:
eine Funkenstreckenanordnung nach der Erfindung in einem Längsschnitt gemäß der Linie I-I in Fig. 2,
Fig. 2:
einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 und 4:
im Längsschnitt verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Austrittsöffnung für das erhitzte Gas,
Fig. 5:
in einem Längsschnitt zwei Funkenstreckenanordnungen nach der Erfindung in einem Einbaugehäuse,
Fig. 6:
eine Funkenstreckenanordnung nach der Erfindung in einem Einbaugehäuse.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Funkenstreckenanordnung zum Einsatz in Niederspannungsversorgungssystemen besteht aus einer ersten Elektrode 1, einer zweiten Elektrode 2, einem bei Erhitzung ein Gas abgebenden Isolierstoffkörper 3 und einem gehäuseartigen Trägerelement 4. Im Überschlagsfall bildet sich zwischen den beiden Elektroden 1, 2 ein geradlinig verlaufender Lichtbogen 6 aus. Hierzu ist zwischen diesen beiden Elektroden und innerhalb des Isolierstoffkörpers 3 eine Lichtbogenbrennkammer 5 vorgesehen. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Trägerelement 4 und der Isolierstoffkörper 3 jeweils hohlzylindrisch ausgebildet. Dabei kann der Isolierstoffkörper 3 als hohlzylindrische Auskleidung der Innenwand des Trägerelementes 4 ausgebildet sein. Der Isolierstoffkörper 3 besteht bevorzugt aus einem sogenannten Hartgas, d.h. einem Material, das bei entsprechender Erhitzung ein Löschgas freisetzt. Dies können beispielsweise POM (Polyoxymethylen) als bevorzugte Ausführungsform, sowie alternativ auch PMMA (Polymethylenmethacrylat), oder PTFE (Polytetrafluorethylen) sein. Die Isolier- bzw. Hartgaskörper 3 umgibt den hohlzylindrischen Raum in seinem Innern, nämlich die o.g. Lichtbogenbrennkammer 5. An den Stirnseiten dieser Kammer 5 befinden sich die Elektroden 1, 2, zwischen denen sich im Überschlagsfall der geradlinige Lichtbogen 6 ausbildet, der somit in der Mittellängsachse A-A dieser Funkenstreckenanordnung und damit auch in der Mittellängsachse der Lichtbogenbrennkammer 5 verläuft. Die an die Umgebung abgebende thermische Energie, insbesondere Strahlungswärme des Lichtbogens 6 setzt aus dem Hartgas des Isolierstoffkörpers 3 das Löschgas frei, welches gemäß den Pfeilen 7 von allen Seiten des hohlzylindrischen Mantels aus Hartgas in die Kammer 5 und dabei radial nach innen gegen das Plasma des Lichtbogens 6 strömt. Somit wird, wie bereits erwähnt, der für eine effektive Strombegrenzung notwendige hohe Widerstand des Lichtbogens 6 durch seine hiermit optimierte Kühlung mittels der Gasströmung 7 erreicht. Besonders günstige Kühlbedingungen lassen sich erreichen, wenn ein hierfür besonders geeignetes Löschgas (siehe hierzu die obigen Beispiele) verwendet wird. Hierunter fällt auch beispielsweise H2, SF6. Es ist ferner ersichtlich, daß die vorteilhafte radiale Beblasung des Lichtbogens durch das Löschgas durch die hohlzylindrische Gestaltung der Lichtbogenkammer 6 besonders gefördert wird.
Die erläuterte rotationssymmetrische Beblasung des Lichtbogens durch das Löschgas 7 erfolgt über die gesamte Länge L des in der Lichtbogenbrennkammer 5 befindlichen Lichtbogens 6, wobei aufgrund seiner rotationssymmetrischen Anblasung von allen Seiten her der Lichtbogen zusammengepreßt wird. Da die Strömungsrichtung des kalten Löschgases in Richtung des Temperaturgradienten im Lichtbogen verläuft, kann das Gas optimal thermische Energie aus dem Lichtbogen aufnehmen. Hierdurch ergibt sich die o.g., optimierte und gegenüber dem Stand der Technik verstärkte Kühlwirkung. Ein optimaler Energieaustausch läßt sich aus dem vorherrschenden thermodynamischen Bedingungen ableiten. Es empfiehlt sich ein Verhältnis des Innendurchmessers D der Lichtbogenbrennkammer 6 zu der o.g. Lichtbogenlänge L von etwa 1 : 3 bis 1 : 5.
Das durch den Lichtbogen erhitzte Gas strömt durch eine Durchtrittsöffnung 8 der Elektrode 2 gemäß den Pfeilen 9 nach außen. Die Öffnung 8 ist bevorzugt ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildet und umgibt die Mittellängsachse A-A.
Es ist ferner eine Fokussierung des Fußpunktes 9 des Lichtbogens 6 an der der Lichtbogenbrennkammer zugewandten Stirnfläche 10 der Elektrode 1 vorgesehen. Hierzu verläuft das zugehörige stirnseitige Ende der Lichtbogenbrennkammer 5 etwa gemäß Ziffer 11 abgerundet, wobei dieser Teil 11 der entsprechenden Stirnfläche des Hartgases gemäß Fig. 1 etwas in Richtung zum äußeren, in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Ende der Elektrode 1 verlagert ist. Somit kann eine Gasströmung 7' über die Randkanten 12 der Elektrode 1 nach innen strömen und die vorgenannte Fokussierung des Fußpunktes 9 etwa in der Mitte der Stirnfläche 10 bewirken. Hiermit wird auch der Bereich der Randkante 12 vom Lichtbogen freigehalten, so daß dort keine Abbrände erfolgen, welche die Ansprechspannung der Funkenstrecke nachteilig beeinflussen könnten. Es erfolgt lediglich ein geringer Abbrand an der Fußpunktstelle 9. Damit und auch durch die nachfolgend erläuterte Positionierung der Fußpunkte an der Elektrode 2 wird der Verschleiß der aktiven Teile der Funkenstrecke sehr gering gehalten.
Der Fußpunkt des Lichtbogens 6 an der gegenüberliegenden Elektrode 2 wandert spiralförmig (siehe strichpunktierte Linie 13) von der Stelle 14 zur Stelle 14'. Seine Wanderungsgeschwindigkeit ist relativ hoch, so daß kein störender Abbrand an der Wandung der Austrittsöffnung 8 erfolgt. Somit wird eine unzulässige thermische Belastung auch im Bereich dieser Austrittsöffnung 8 vermieden. Hierzu empfiehlt sich ein Verhältnis der Länge L2 der Durchtrittsöffnung 8 zu ihrem Durchmesser D2 von etwa 3 : 1. Somit bleibt der Verschleiß auch dieser Elektrode 2 sehr klein. Die vorliegende konstruktive Konzeption und auch der geringe Verschleiß beider Elektroden ergibt den wesentlichen Vorteil, daß hiermit eine sehr kompakte Funkenstreckenanordnung geschaffen ist, die trotz ihres sehr großen Folgestromlöschvermögens nur sehr kleine äußere Abmessungen aufweist.
Das erhitzte Gas steht in der Lichtbogenbrennkammer unter einem sehr hohen Druck, der die angestrebte Kühlwirkung verstärkt. Das Gas kann beim Ausströmen durch die Öffnung 8 eine Geschwindigkeit erreichen, die ein Mehrfaches der Schallgeschwindigkeit, d.h. von 1 mach betragen kann. Mittels Variation des Durchmessers D2 der Durchtrittsöffnung 8 kann man die Verweilzeit der Gase in der Lichtbogenbrennkammer und damit die Bedingungen des Energieaustausches zwischen Lichtbogen und Löschgas beeinflussen. Die Durchtrittsgeschwindigkeit der heißen Gase durch die Öffnung 8 kann durch entsprechende Gestaltung des Querschnittes dieser Öffnung 8 variiert werden. Beispiele hierzu sind den Fig. 3 und 4 zu entnehmen. Eine kleine Austrittsgeschwindigkeit der erhitzten Gase aus der Öffnung 8 bedingt einen entsprechend kleinen Massendurchsatz und damit eine hohe Verweilzeit der erhitzten Gase in der Lichtbogenbrennkammer. Ferner bewirkt der sehr schnell und stark aus der Lichtbogenbrennkammer 5 in die Öffnung 8 eindringende Gasstrom die bereits erläuterte Bewegung des Fußpunktes 14 in Richtung zur Ausblasseite 8' der Öffnung 8 und damit in seine Position 14'. Wird hierbei die Länge des Lichtbogens zu groß, so erlischt er und es kann eine erneute Zündung im Bereich der Lichtbogenbrennkammer 6 erfolgen, wenn die Isolationsfähigkeit im Innern der Lichtbogenbrennkammer noch nicht wieder ihren optimalen Wert erreicht hat.
Nach einem Löschen des Netzfolgestromes könnte es unter Umständen zu einem Nachstrom kommen, der aber mit der Erfindung verhindert wird, da das nach dem Verlöschen des Lichtbogens noch nachströmende Löschgas wirksam das Auftreten eines Nachstromes verhindert.
Im Beispiel der Fig. 3 ist die Strömungsrichtung 15 der heißen Gase eingezeichnet. Sie durchsetzt erst die im Querschnitt D1 kleinere Eintrittsfläche der Durchtrittsöffnung 8 und tritt an deren im Querschnitt D2 größeren Austrittsfläche aus. Dies bewirkt eine Reduzierung der Austrittsgeschwindigkeit gegenüber der Eintrittsgeschwindigkeit bei D1.
Auch ist eine Querschnittsform gemäß Fig. 4 möglich. Der aus der Lichtbogenbrennkammer gemäß Pfeil 15 kommende Strom der erhitzten Gase gelangt zunächst in den sich verengenden Bereich 8, so daß sich die Geschwindigkeit des Gasstromes bis zu einer Engstelle 8" hin steigert und damit den Massendurchsatz dort entsprechend erhöht. In dem sich anschließenden Bereich 8'" vergrößert sich in der Gasströmrichtung 15 dessen Querschnitt. Entsprechend der Größe des Öffnungswinkels dieses Bereiches 8'" sinkt dann die Durchtrittsgeschwindigkeit der Gase. Der Effekt dieser Anordnung nach Fig. 4 liegt darin, daß man die verengte Öffnung 8" nur so groß wählt, daß die von einem Stoßstrom freigesetzten Gase noch gerade hindurchgefördert werden können, wobei deren Austrittsgeschwindigkeit aus der Engstelle 8" möglichst groß sein soll. Bei der nachfolgenden, vom Netzfolgestrom bestimmten Phase wünscht man eine größere Verweilzeit der erhitzten Gase in der Lichtbogenbrennkammer als während der Periode des Stoßstromes. Für diesen Fall wird der Bereich 8" mit einem entsprechenden, in Strömungsrichtung sich erweiternden Öffnungswinkel wirksam, wodurch die Geschwindigkeit der Gasströmung verringert wird, ohne daß der verengte Durchtrittsquerschnitt 8" geändert werden müßte. Die unterschiedlichen Durchmesser D1 beim Eintritt des Gasstromes 15, D2 bei seinem Austritt und schließlich D3 in der verengten Stelle 8" der Durchtrittsöffnung 8 sind eingezeichnet.
Fig. 5 zeigt zwei Funkenstreckenanordnungen F gemäß der Erfindung innerhalb eines Einbaugehäuses 16, wobei diese Funkenstreckenanordnungen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die jeweiligen externen Anschlüsse sind mit 17 und eine elektrische Verbindung zwischen beiden Funkenstreckenanordnungen mit 18 beziffert. Die aus den Funkenstreckenanordnungen austretenden Gasströme 19 werden durch Öffnungen 20 des Einbaugehäuses nach außen abgeführt. Eine ähnliche Anordnung, jedoch für nur eine Funkenstreckenanordnung F ist Fig. 6 zu entnehmen. Es gelten die Bezifferungen gemäß Fig. 5.
Alle dargestellten und beschriebenene Merkmale, sowie ihre Kombinationen untereinander sind erfindungswesentlich.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Löschung des Lichtbogens eines Netzfolgestromes einer stoßstromtragfähigen, in Niederspannungsversorgungssystemen einzusetzenden Funkenstrecke, wobei zur Folgestrombegrenzung ein Löschgasstrom von allen Seiten radial gegen den sich axial ausbreitenden Lichtbogen des Netzfolgestromes geblasen wird und diese Anblasung über etwa die gesamte Länge (L) des Lichtbogens erfolgt, wobei der Löschgasstrom von einem Isoliermaterial, z.B Hartgas, der Funkenstrecke abgegeben wird und der Löschgasstrom die, Funkenstrecke an einer Öffnung verläßt,
    gekennzeichnet durch
    Einstellung des Massendurchsatzes, der aus der Funkenstreckenanordnung ausströmenden erhitzten Gase mittels Beeinflussung der Austrittsgeschwindigkeit der ausströmenden erhitzten Gase über eine geometrische Formgestaltung der Austrittsöffnung.
  2. Funkenstreckenanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit mindestens zwei Elektroden, einem die Elektroden und eine Lichtbogenbrennkammer umgebenden Gehäuse, einem ein Löschgas abgebendes Isoliermaterial und zumindest einer Durchtrittsöffnung für das Löschgas, wobei die Lichtbogenbrennkammer (5) zylindrisch ausgebildet ist, die Elektroden (1, 2) sich an den beiden stirnseitigen Endbereichen dieses Zylinders befinden, die Lichtbogenbrennkammer innenseitig mit dem Isoliermaterial zumindest so weit ausgekleidet ist, daß das hieraus austretende Gas (7) über den Umfang des Zylinders verteilt und über die gesamte Länge des zu dem etwa sich in der Mittellängsachse (A-A) des Zylinders befindenden Lichtbogens (6) strömt, wobei die Durchtrittsöffnung (8) für die erhitzten Gase sich in einer der Elektroden (2) befindet,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das zur anderen Elektrode zugehörige Stirnseitige Ende der lichtbogenbrennkammer abgerundet verläuft, so daß eine Fokussierung des ersten Fußpunkts (9) des Lichtbogens (6) an der Elektrode (1) erfolgt, die nicht mit der Durchtrittsöffnung (8) versehen ist und
    wobei ein zweiten Fußpunkt (14) des Lichtbogens (6) an der die Durchtrittsöffnung (8) umgebenden Innenwand der anderen Elektrode (2) anliegt.
  3. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 2 ,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sich der Querschnitt der Durchtrittsöffnung (8) in der Elektrode (2) zu deren Austrittsseite (8') hin erweitert.
  4. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 2,
    i dadurch gekennzeichnet, daß
    in der Strömungsrichtung (15) der Gase sich der Querschnitt der Durchtrittsöffnung (8) zunächst veringert, sich daran eine Engstelle (8") anschließt und daß danach ein Bereich (8'") folgt, der sich von der Engstelle (8") her bis zum Austritt erweitert.
  5. Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zwei Funkenstreckenanordnungen (F) in elektrischer Reihenschaltung in einem gemeinsamen Einbaugehäuse (16) vorgesehen sind, das Austrittsöffnungen (20) für die aus der Funkenstreckenanordnung ausströmenden erhitzten Gase (19) aufweist.
  6. Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    eine einzige Funkenstreckenanordnung (F) in einem Einbaugehäuse (16) vorgesehen ist, daß ein oder zwei Austrittsöffnungen (20) für die aus der Funkenstreckenanordnung ausströmenden erhitzten Gase (19) aufweist.
  7. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die elektrischen Anschlüsse (17) für die Funkenstreckenanordnungen bzw. Funkenstreckenanordnung aus dem Einbaugehäuse (16) herausgeführt sind.
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