EP2064787A1 - Funkenstreckenanordnung für höhere bemessungsspannungen - Google Patents

Funkenstreckenanordnung für höhere bemessungsspannungen

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Publication number
EP2064787A1
EP2064787A1 EP08832776A EP08832776A EP2064787A1 EP 2064787 A1 EP2064787 A1 EP 2064787A1 EP 08832776 A EP08832776 A EP 08832776A EP 08832776 A EP08832776 A EP 08832776A EP 2064787 A1 EP2064787 A1 EP 2064787A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spark gap
arrangement according
gap arrangement
spark
series
Prior art date
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Granted
Application number
EP08832776A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2064787B1 (de
Inventor
Arnd Ehrhardt
Uwe Strangfeld
Richard Daum
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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Filing date
Publication date
Application filed by Dehn and Soehne GmbH and Co KG filed Critical Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Publication of EP2064787A1 publication Critical patent/EP2064787A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2064787B1 publication Critical patent/EP2064787B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/16—Overvoltage arresters using spark gaps having a plurality of gaps arranged in series

Definitions

  • the invention relates to a spark gap arrangement for higher rated voltages, wherein at least two, opposite electrodes having spark gaps are connected in series and at least one of the spark gaps active, d. H. triggerable, and with an overcurrent protection device for use as a lightning current carrying Netzabieiter, according to the preamble of claim 1.
  • a series circuit of two spark gaps for the limitation of surges in low-voltage systems, consisting of three electrodes, wherein for the creation of each spark gap two of these electrodes are each opposite to a surface and are held apart by an insulating layer from each other, is known from DE 39 14 624 C2 previously known.
  • the local spark gaps have a very different inherent capacity, whereby the response voltage of the overall arrangement is determined essentially by the spark gap with the smaller capacity.
  • a spark arrestor overvoltage protection element with at least two main electrodes located in a pressure-tight housing and an auxiliary starting electrode is previously known, wherein a functional subassembly for reducing the response voltage is accommodated in the housing volume.
  • This fu ntationsbauou comprises a series circuit of a voltage-switching element, an impedance and an isolating distance, so that a simplified, quasi-integrated ignition aid is created.
  • the spark gap should be able to exert a redundant protective function with an increased protection level without an ignition aid.
  • the derivation of a display function from the turn-off of fuses is also known from DE 38 31 935 Al, DE 197 51 470 Al or DE 32 28 471 Al already known.
  • US Pat. No. 6,157,529 discloses interrupting a circuit by shutting off a fuse and a holding coil of a switch. Ignition aids, as described in DE 199 14 313 Al, are also used in combination arresters. With these arresters, the starting aid itself can be designed as an independent overvoltage protection device, which activates the short-circuit element, generally a spark gap, only at the risk of its own overload via a trigger function.
  • a Kombiabieiter is shown for example in DE 198 38 776 C2.
  • the object of the invention is also to provide an overcurrent protection device for use in overvoltage protection devices based on spark gaps with higher rated voltages in the range of 440 V to 760 V and more, in combination with a mechanical trigger for a display and fuses for overload protection ,
  • the possibility should be created, using geometrically identical housing, display and mounting parts at different voltage levels to make an economical and functional meaningful design of the active parts, so that an easy adaptability to different uses and applications is given.
  • the object is achieved by a spark gap arrangement according to the feature combination according to claim 1, wherein the dependent claims represent at least expedient refinements and developments.
  • spark gaps are used, which are located in a pressure-resistant Kapselu ng and which have at least one pressure equalization opening. Furthermore, a distance of the main electrodes of the spark gap bridging insert is provided, which consists of a low-resistance material. This material behaves strongly under current load with respect to the decreasing residual voltage nonlinear.
  • the series connection is formed from two physically separated spark gaps, one of the spark gaps being triggerable and the second spark gap being passive.
  • the spark gaps are accommodated in a common, pressure-resistant, preferably metallic housing and it is possible to use two active, triggerable spark gaps for voltages of substantially 760 V.
  • the spark gaps preferably used are rotationally symmetrical.
  • the respective opposing main electrodes comprise a main electrode with Gasumlenkkanal.
  • the bridging, low-impedance insert already mentioned is arranged as a preferably rotationally symmetrical part with a cylindrical opening delimiting the arc combustion chamber.
  • the main electrode opposite the main electrode with the gas deflection channel has a nose portion or a projection which dips into the cylindrical opening, with the wall coming into contact with it. It is understood that the nose portion is complementary in itsêtkontu r form the shape of the cylindrical opening.
  • the low-resistance material of the insert preferably has a cold resistance of ⁇ 100 ohms.
  • the insert has in one embodiment, a hollow cylindrical shape and is located with one end face over the entire surface of the main electrode with Gasumlenkkanal.
  • the preferably hollow-cylindrical insert in each case with one of its end faces, is in contact with one main electrode in each case.
  • the flashover between the main electrodes takes place only after a relatively longer period of time or at very high pulse currents, which is particularly of interest if the Restspannu ng the spark gap should be at a plurality of pulse-shaped discharges above the rated voltage to a Netzbeckstrom prevention.
  • the clear distance between the respective main electrodes of the spark gaps is substantially greater than that which can be found in the known state of the art in corresponding series circuits, and is at least about 5 mm.
  • the pressure equalization openings are basically oriented in the axial direction of the rotationally symmetric spark gaps and are away from one another in order to prevent unwanted exposure of functionally important parts.
  • a transition part may be provided which has a higher resistance value relative to the insert, but is conductive.
  • the geometric shape of the insert can be subjected to changes in the radial and / or axial direction for adjusting and varying the current density, so that in the preferred rotationally symmetric Basic construction and a desired modular structure by replacing the insert various electrical parameters can be realized.
  • a common central main electrode is preferably provided, which in this case is insulated from the jacket encapsulation.
  • the pressure equalization openings are designed axially and opposite in the region of the external contact of the respective main electrode as channels of small cross-section for the slow pressure reduction of the already cooled down hauled gas.
  • the external trigger circuit for igniting the active spark gap is guided on the trigger electrode of this active spark gap and on the electrical end connection points of the series connection.
  • the necessary follow current limiting is achieved by increasing the arc field strength due to the pressure increase or in combination with the arc cooling by flowing the arc within encapsulated Fu nkenuxn.
  • the distances between the main electrodes are at least 5 mm.
  • the low-resistance material of the insert is located within the passive spark gap directly in the region of the arc channel and radially or completely limits the wall-stabilized arc.
  • the material bridging the gap between the main electrodes of the passive spark gap has a cold resistance of less than 100 ohms and behaves at current load with respect to the decreasing residual voltage is not very linear, ie the voltage drops despite further increasing current.
  • the material used can briefly cause impulsive currents of several kA without lasting damage until overturning.
  • the resulting residual voltage is well below 2 kV.
  • the height and the duration of the residual stress can also be set or influenced by influencing the current density distribution in the material itself, by the geometric design of the insert or else by a functional subdivision from a plurality of materials.
  • the inventive passive spark gap does not affect the response, coordination and residual voltage behavior of the entire series connection. Due to the lower part in partial spark gaps, the thermal and dynamic load of each individual spark gap decreases and there are many design options.
  • the performance of the series-connected lightning arrester is improved in terms of follow current limiting, lightning current carrying capacity and aging. Compared to a series connection of two triggerable arresters, there is the advantage that both space and costs for the second or multiple ignition units can be saved.
  • the arrester has a passive spark gap for the 440 V level and a triggerable spark gap connected in series with a trigger circuit. For devices with higher voltage, two triggerable spark gaps are connected in series. The corresponding trigger circuits are provided on the control board described in the embodiment. The other means such as fuse elements and the display units are identical, d. H. There are no significant differences between the 440 V / 760 V arresters.
  • Another basic idea of the invention is to divide the fuse elements for the spark gap arrangement, in particular fusible elements, into a series connection of a plurality of fuses, which, in addition to the electrical connection, are partially in a mechanical series connection and partly in a mechanical parallel connection.
  • the division also allows a large variance in terms of residual voltage behavior, rollover protection, current limitation, the actual performance and the necessary distances to vulnerable other components, in particular a trigger circuit.
  • a series connection of a plurality of fuse elements is provided which form a geometrically predetermined, mechanical and electrical connection.
  • this series connection has a mechanical and electrical parallel connection of fusible elements, wherein at least one of the fusible elements of the parallel connection comprises a firing pin as a mechanical trigger for actuating a function display.
  • a first part of the series combination is located on one side of a wiring substrate, in particular a printed circuit board, and a second part of the series compound is located on a second, the first opposite side of the wiring substrate.
  • the first part of the series composite comprises at least two cylindrical Einzelêtu ngen, which are mechanically and electrically connected by a conductive cylinder on the front sides and there existing connection caps. This mechanical and electrical connection with the aid of the conductive cylinder takes place only in the area of the mechanical connection caps, so that the insulation and separation distances are maintained.
  • the composite of the cylindrical individual fuses with the conductive connecting cylinder may be coated by an insulating material, in particular by a shrink tube.
  • the second part of the series network comprises the already mentioned parallel network, wherein the parallel network is predominantly surrounded by a protective housing to which further functions, which are described below, can be assigned.
  • connection caps of the fusible elements of the parallel connection are electrically and mechanically connected and merge into a connection extension, which in each case allows mounting on the wiring carrier.
  • the free ends of the individual fuses of the first part of the series composite also have connection caps with Lötfähnchen or tab-like extensions.
  • a conductive, in particular metallic, geometrically diameter-matched cylinder may also have a predetermined impedance.
  • the wiring carrier has an elongate, rectangular shape with screw connection lugs attached to the narrow sides.
  • the first part of the series composite is at a longitudinal outer edge, with this substantially laterally terminating, located on the wiring carrier.
  • the second part of the series composite containing the parallel connection, is net angeord substantially perpendicular to the longitudinal axis of the first part of the series compound on the wiring support.
  • the protective housing is open to the longitudinal edge of the wiring substrate, to allow an exit of the firing pin and an operative connection of the firing pin towards a spring-biased indicator slide.
  • the protective housing has on its upper side facing away from the wiring substrate a color-coded indicator surface or an indicator surface extension, which is integrally formed on the housing.
  • a functional state can be displayed by a slide either the view of the top releases or blocks this view.
  • the protective housing on the one hand, the function of the isolation of the parallel compound and serves the purpose of retaining elements in the event of triggering this fuse. Furthermore, the housing serves for the aforementioned formation of an indicator surface or the reception of an indicator surface extension.
  • the wiring carrier is preferably mountable on the upper side of a housing, wherein the housing accommodates in its interior an arrangement of surge arresters, in particular spark gaps.
  • This arrangement of surge arresters, in particular spark gaps is in series connection.
  • One of the spark gaps of the device may be triggerable, in which case the trigger circuit is on the wiring carrier.
  • the housing for receiving the spark gaps has on its upper side over a longitudinal edge a trough-like recess into which the first Part of the series composite dips to effect in this way a protective and insulating function of the first part of the series compound.
  • the overall arrangement of housing-mounted spark gaps, located on the top of the housing wiring substrate with electrical elements and the series circuit of a plurality of fuses is surrounded by an insulating cap, the cap having the aforementioned window for detecting the functional state with respect to the indicator surfaces.
  • the overcurrent protection device is characterized by a modular design with selected fuses for series connection to cause easy adaptation to different rated voltages.
  • the display slider which is spring-biased and can be released from the firing pin of the parallel connection, has a display surface which releases or obscures a color-deviating indicator surface, in particular the indicator surface of the top of the protective housing.
  • the display slider has an extension, which extends in the longitudinal direction beyond the narrow side of the wiring substrate, in order to interact there with a telecommunications contact in operative connection.
  • the usable in the series circuit of the overcurrent protective device fuses consist of inexpensive to produce individual fuses, each z. B. for a voltage level of 250 V.
  • the cylinder may preferably be a metal cylinder which, in addition to the electrical connection, also assumes the mechanical fixing and the necessary mechanical stabilization of the corresponding part of the series connection.
  • the number of connection elements is smaller by this type of connection than in a simple series connection of individual electrical fuses, each z. B. connected by soldering to a circuit board.
  • the distance between the remaining connection elements or end caps of the fuses is considerable, which makes it easier to maintain separation distances and significantly reduces the risk of bridging.
  • the preferred arrangement of the above-described series connection on the underside of the wiring substrate creates in addition to sufficient Trennu ngs- distances on the wiring substrate and space on the component side, d. H. the opposite side, on the one hand on the volume savings and on the other hand by avoiding critical approximations between the overload-endangered elements and the protective device.
  • the first part of the series connection is separated at the top by the board from the components of the ignition circuit and on the bottom by the trough-like expression of the housing. This results in a quasi a complete insulating enclosure of the protective device. This prevents in the event of an error Berußung that may occur, and it will protect the separation sections of the ignition circuit when the release of gas or plasma from the fuse from flashovers.
  • the parallel component arrangement representing the second part of the series combination is preferably configured as described in German patent application DE 10 2006 026 711.7.
  • the content of this patent application is hereby fully explained by the subject of the present invention.
  • the fuses used as fuses of the parallel connection and also of the series combination preferably have the same fusible conductor at maximum rated voltage. This ensures an almost simultaneous response of all fuses in the case of adiabatic loads and loads in which the axial heat output dominates over the radial heat output.
  • the characteristic of the series connection of the fuses thus corresponds to a partial area fuse.
  • the dimensions of such a series connection are considerably smaller with comparable switching capacity than individual fuses, z. B. for a nominal voltage of 690 V.
  • one or more fuses of the series assembly can be replaced by a simple metallic cylinder. In addition to the cost reduction, this also leads to a reduction of the residual voltage and thus supports the desired basic function of the arrester.
  • a two-sided arrangement of Metalizylindern in addition to a real fuse in the series combination also the current force effect can be reduced to the fusible conductor, whereby higher pulse currents can be supported.
  • Fig. 1 shows a series circuit of a triggered spark gap and a passive, ungetriggered spark gap as discrete elements in each pressure-resistant enclosure;
  • FIG. 2 shows an example geometry of a passive spark gap as used for the series connection according to the invention
  • FIG. Fig. 3 shows another embodiment of a geometry of a passive one
  • Fig. 4 shows a particularly space-saving arrangement of a triggered and a passive spark gap in a common, metallic pressure-resistant enclosure with opposite pressure equalization openings in the form of channels of small cross-section,
  • FIG. Figures 5 and 6 show a representation of the first part of the series of fused elements
  • Fig. 7 is a plan view of the housing with enclosed
  • Fig. 8 is a side view of an assembly with housing as well
  • Wiring carrier which u. A. the trigger circuit and the overcurrent protection device receives;
  • Fig. 9 is a representation similar to that of Fig. 8, but in perspective and
  • FIG. 10 shows a diagram of the series connection of the spark gaps in FIG.
  • the Fig. 1 shows a series connection (sectional representation) of a triggered spark gap 1 (active spark gap) and an ungetriggered (passive) spark gap 2.
  • the trigger circuit 3 of the active spark gap 1 has a connection 4 which is connected to a connection 5 of a main electrode 8 of the passive spark gap 2. Another connection of the trigger circuit 3 leads to the main electrode 8 of the active spark gap 1, the also has the trigger contact through an insulation 20, led out of the pressure-resistant metallic encapsulation 21 has.
  • Pressure compensation openings 6 of the spark gaps 1 and 2 and the gas flow direction 7 (Pfeildarstell ung) within the spark gaps 1 and 2 are oriented opposite.
  • Both spark gaps 1 and 2 each have a plurality of independent ventilation openings 6 for better control of the flow and for effective cooling of the gases formed during ignition and firing of the arc.
  • one of the main electrodes 8 has an opening 22, which forms part of a Gasumlenkkanals, which merges into the pressure equalization openings 6.
  • the triggerable spark gap 1 has two main electrodes, namely the main electrode 8 and 9, and an auxiliary electrode 10, which is in electrical connection with the trigger contact 20.
  • the spark gap 1 has at least one insulation gap 12, which is located between the main electrodes 8 and 9 of this spark gap.
  • the passive spark gap 2 also has two main electrodes 8 and 9.
  • the spacer 13 is preferably designed as a hollow cylinder and is according to the illustration of FIG. 1 with one of its end faces over the entire surface on the main electrode 8.
  • d. H. the existing there cylindrical opening protrudes a nose portion 23 of the main electrode 9, whereby a radial contact with the insert or the spacer 13 results.
  • the spacer 13 is in order to avoid flashovers in the contacting range between the nose portion 23 of the main electrode 9 and the plate-shaped electrode holder 14 against this over the part 15 isolated.
  • the immersion depth of the nose portion 23 of the electrode 9 in the spacer 13 increases with the desired level of performance of the arrester and decreases with increasing erosion resistance of the electrode material.
  • the immersion depth is in this case dimensioned such that both the axial burnup of the nose electrode 9 and the radial erosion of the spacer 13 do not lead to an insulating separation path between the parts 13 and 9.
  • the height and duration of the current through the spacer 13 as well as the rollover behavior can be influenced by the control of the current density and the current distribution in the spacer 13 in addition to the material properties of this part. This can in addition to influencing the Restspannu ng also be used to control the power conversion, the burning and the thermal load of the spark gap and in particular the insert piece 13.
  • the main electrodes 8 and 9 of the passive spark gap 2 can be completely or partially isolated from the spacer 13.
  • the Fig. 2 shows an exemplary geometry as a cross-sectional representation for a passive footpath. Again, two opposite main electrodes 8 and 9 are present. The electrodes are isolated in a metallic enclosure 21 located.
  • the main electrodes 8 and 9 shown can also be insulated from the insert 13, but the breakdown voltage of the insulation must be clearly below the desired protection level and also below the residual voltage of the trigger circuit.
  • the spacer 13 can also be varied in the circumference of the hollow cylinder in both the radial and in the axial direction with respect to the electrical conductivity. H hereby, in addition to the control of the electric current density in the spacer 13 and effects of thermal insulation with respect to the electrodes 8 and 9 can be effected. In addition, the variation of the materials in the discharge channel can serve the function division or be used to influence the temperature and pressure resistance and the better aging quality and to reduce the burnup.
  • FIG. 2 shows a substantially axial function distribution here.
  • the electrodes 8 and 9 with respect to the metallic encapsulation 21 isolated.
  • the Fig. 3 shows a further embodiment of a possible geometry in cross-sectional representation for the passive spark gap 2.
  • a flashover between the main electrodes 8 and 9 should be done only at a comparatively long period of time or very high pulse currents.
  • the spacer 13 is contacted over its entire surface at both end faces with the respective main electrodes 8 and 9 in order to bring about a largely homogeneous current density within the spacer 13.
  • increases in the electric field strength, in particular in the rollover area can be avoided.
  • FIG. 4 illustrates a basic embodiment of two spark gaps in a cross-sectional view, which are located within a common metallic encapsulation 21.
  • Both spark gaps have a common center electrode 9, which is insulated from the flameproof enclosure 21. In the area of the passive spark gap 2, however, there is a low-resistance connection to the main electrode 8 there. In contrast to the presen- tation of FIG. 1, in which in both spark gaps 1 and 2 each have a main electrode directly in contact with the metallic shell 21, at least one of the spark gaps 1 and 2 as shown in FIG. 4 both main electrodes with respect to the jacket or the Kapselu ng 21 isolated.
  • spark gap 1 is the case with the passive spark gap 2.
  • spark gap 1 or both Spark gaps with insulating main electrodes 8 and 9 are performed.
  • the insulation of the main electrodes 8 and 9 is preferred over an insulating interruption of the pressure-resistant metallic shell 21 aufgru nd a better overload behavior.
  • the spark gaps according to FIG. 4 have the same way as in FIG. 1, opposite venting and pressure equalization openings or channels 6.
  • the main electrodes each have at least a distance of substantially 5 mm in both spark gaps 1 and 2.
  • the pressure in the discharge region, which is completely or partially enclosed by the insert 13, is at impulse and follow-up torque loads up to several 100 bar. For prospective net sequence currents in the range of> 500 A to several kA, pressures of at least 10 bar are achieved.
  • the series connection of a spark gap with insulation and a quasi-shorted spark gap has compared to two spark gaps, each with isolated separation distance per se the disadvantage that only one separation section provides an immediate consolidation after the current zero crossing.
  • the instant solidification voltage is in the range of about 300 V.
  • the used overcurrent protection device comprises a series connection of a plurality of fuse elements, which form a geometrically predetermined, mechanical and electrical composite.
  • a first part of the series composite includes two individual cylindrical fuses 100 and 200. These two individual cylindrical fuses 100 and 200 are mechanically and electrically, for., By a conductive, preferably metallic cylinder 300 at the end faces 400 and 500 there existing connection caps. B. connected by clamping or soldering.
  • the resulting composite of the cylindrical individual fuses 100 and 200 with the connecting cylinder 300 is coated with an insulating shrink tube 600 (see FIG. 6).
  • connection caps 500 The free ends of the individual fuses 100 and 200 likewise have connection caps 500, but with soldering lugs 500a, which serve for electrical connection and mechanical fixing on a printed circuit board.
  • the series circuit also includes a mechanical and electrical parallel composite of fusible elements, wherein at least one of the fusible elements of the parallel compound has a firing pin as a mechanical trigger.
  • the mechanical release can be embodied as a wire-shaped release part, whereby preferably this wire of the release part is connected in parallel over a part of the entire overcurrent protection device, which has the advantage that the coordination of the current commutation and the switching capacity is limited to this part of the protection.
  • the fusible link of the fuse to which the indicator is connected in parallel may be provided with a minimally lower melt temperature to ensure a safe indication even at low overloads.
  • the indicator part i. H. the parallel connection, provided with an additional housing 700 (see FIGS. 8 and 9).
  • This housing 700 blocks the external flashover and greatly reduces the danger that can arise from released indicator parts (striker).
  • the housing 700 is preferably arranged at right angles to the longitudinal axis of the wiring substrate 800.
  • the first part of the series assembly 900 comprising the connection cylinder and protective cover individual fuses, is located on the underside of the wiring substrate 800, with the second part of the series assembly located in the housing 700 being placed on top of the wiring substrate 800.
  • the wiring carrier 800 has an elongated, rectangular shape with screw connection lugs 110 attached to the narrow sides, wherein the first part of the series assembly 900 is located at a longitudinal outer edge, substantially laterally terminating therewith.
  • the protective housing 700 is open to the longitudinal edge of the Verd rahtu ngslvess 800 to allow escape of the firing pin therein and an operative connection to a spring-biased indicator slide 111.
  • the protective housing 700 has on its side facing away from the wiring substrate 800 top a color-coded indicator surface, for. B. red, or has an indicator surface extension, which extends from the housing 700 starting.
  • the wiring carrier 800 is mountable on top of a housing 112, wherein the housing 112 may be a series spark gap arrangement.
  • Sheathed portions are the top of the wiring substrate 800, the groove-shaped recess 114, the spark gap housing 112 and the fuse housing 700 to see.
  • the area of the carrier board and the fuses is protected from the spark gap housing 112 by an insulating partition plate from staining or contamination from this area.
  • the fuse in the groove-shaped recess 114 is thus, in addition to the contaminants from the region of the wiring substrate 800, also sealed off from the spark gap housing 112. Thus, neither impurities from the spark gap area nor contamination from destroyed components on the wiring carrier can affect the switching capacity of the fuse 900.
  • the other part of the series connection of the safety devices is protected by the housing 700 for the parallel connection from being touched by the wiring substrate and at the same time can not cause arcing on the wiring substrate.
  • At least one spark gap of the spark gap arrangement can be triggered and the trigger circuit can be located on the wiring substrate.
  • the contacting between the wiring carrier and the spark gap to be triggered can take place via a contact spring which extends through a recess 113 in the housing 112 (FIG. 7).
  • spark gap housing 112 has on its upper side a trough-like recess 114, in which the first part 900 of the series compound dips to effect a protective and insulating function (see FIGS. 7 and 8).
  • the overall assembly may be surrounded by an insulating cap, the cap having a viewing window to allow a view of the top of the housing 700 and the indicator slide 111, respectively.
  • the display slider 111 has a display surface 115.
  • This display area can, for. B. have a green color, which signals the state "OK".
  • the display slide 111 also has an extension 116 which extends in the longitudinal direction over the narrow side of the wiring substrate 800, to communicate with a telecommunications contact 117 in operative connection.
  • the indicator slide 111 has a thorn-like shape, which receives a helical compression spring, which is supported against the spark gap housing 112 in order to generate the necessary pretensioning.

Landscapes

  • Fuses (AREA)
  • Breakers (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Prevention Of Electric Corrosion (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

Funkenstreckenanordnung für höhere Bemessungsspannungen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Funkenstreckenanordnung für höhere Bemessungsspannungen, wobei mindestens zwei, gegenüberliegende Elektroden aufweisende Funkenstrecken in Reihe geschaltet sind und mindestens eine der Funkenstrecken aktiv, d. h. triggerbar ausgeführt ist, sowie mit einer Überstromschutzeinrichtung für den Einsatz als blitz- stromtragfähiger Netzabieiter, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Reihenschaltung von zwei Funkenstrecken für die Begrenzung von Überspannungen in Niederspannungsanlagen, bestehend aus drei Elektroden, wobei für die Schaffung jeder Funkenstrecke zwei dieser Elektroden sich jeweils mit einer Fläche gegenüberliegen und durch eine Isolationsschicht voneinander im Abstand gehalten sind, ist aus der DE 39 14 624 C2 vorbekannt. Die dortigen Funkenstrecken besitzen eine stark unterschiedliche Eigenkapazität, wodurch die Ansprechspannung der Gesamtanordnung im Wesentlichen durch die Funkenstrecke mit der kleineren Kapazität bestimmt wird.
Aus der DE 42 40 138 Al ist eine ausblasende Funkenstrecke vorbekannt, bei welcher in Reihe zu einer kurzen Funkenstrecke mit Isolationsmaterial eine oder mehrere Funkenstrecken mit niederohmigem Material in Reihe geschaltet sind . Hierbei definiert die Funkenstrecke mit dem Isolationsmaterial die Ansprechspannung der Gesamtanordnung .
Bei der blitzstromtragfähigen Mehrfachfunkenstrecke nach EP 1 381 127 A2 wird von mehreren, in Reihe geschalteten Teilfunkenstrecken ausgegangen, wobei die Teilfunkenstrecken mit Ausnahme der im Blitzstromereignisfall ersten ansprechenden Funkenstrecke durch Impedanzen geschaltet sind, so dass diese sukzessive durchschalten. Die zweite und die weiteren Funkenstrecken sind über die Impedanzen direkt an ein gemeinsames Bezugspotential angeschlossen. Mit der dort vorgestellten Funkenstrecke soll die Ansprechspannung reduziert werden. Hierfür ist an mindestens die Elektroden einer der Teilfunkenstrecken eine Triggerspannung angelegt, mittels derer die Teilfunkenstrecke zum Durchschalten gezwu ngen wird.
Ähnliche Anordnungen mit mehreren Teilfunkenstrecken sind in der WO 07/003706 und der US 4,860, 156 Bl für Anwendungen im Hochspannungsbereich offenbart.
Aus der DE 10 2004 006 988 Al ist ein Überspannungsschutzelement auf Funkenstreckenbasis mit mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindlichen Hauptelektroden und einer Zündhilfselektrode vorbekannt, wobei im Gehäusevolumen eine Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung untergebracht ist. Diese Fu nktionsbaugruppe umfasst eine Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elements, einer Impedanz und einer Trennstrecke, so dass eine vereinfachte, quasi integrierte Zündhilfe entsteht.
Zusammenfassend gehört es zum bekannten Stand der Technik, Funkenstrecken durch Reihenschaltung für den Einsatz bei höheren Bemessungsspannungen zu ertüchtigen. Eine einfache Reihenschaltung führt bei triggerbaren Fu nkenstrecken neben den erheblichen Kosten zu Einschränkungen hinsichtlich des Schutzpegels sowie der Koordinierbarkeit des Ableiters und erfordert im Regelfall auch eine zusätzliche aufwendige Potentialsteuerung .
Aus der DE 199 14 313 Al ist die Absicherung einer Zündhilfe einer Funkenstrecke vorbekannt. Hierbei werden Schmelzsicherungen bzw. reversible Sicherungen eingesetzt. Das Schmelzen der Sicherung wird unter Zuhilfenahme elektronischer Schaltungen zur optischen, akustischen und/oder elektronischen Anzeige genutzt.
Nach dem Ansprechen der Sicherung soll die Funkenstrecke ohne Zündhilfe eine redundante Schutzfunktion mit einem erhöhten Schutzpegel ausüben können. Die Ableitung einer Anzeigefunktion aus dem Abschaltverhalten von Sicherungen ist darüber hinaus aus der DE 38 31 935 Al, der DE 197 51 470 Al oder der DE 32 28 471 Al vorbekannt.
Die US-PS 6, 157,529 offenbart die Unterbrechung eines Stromkreises mit Hilfe der Abschaltung einer Sicherung und einer Haltespule eines Schalters. Zündhilfen, wie in der DE 199 14 313 Al beschrieben, werden auch bei Kombiableitern eingesetzt. Bei diesen Ableitern kann die Zündhilfe selbst als eigenständiges Überspannungsschutzgerät ausgeführt werden, welches erst bei der Gefahr der eigenen Überlastung über eine Triggerfunktion das Kurzschlusselement, im allgemeinen eine Funkenstrecke, aktiviert. Ein Kombiabieiter ist beispielsweise in der DE 198 38 776 C2 gezeigt.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Funkenstreckenanordnung für höhere Bemessungsspannungen anzugeben, wobei mindestens zwei, gegenüberliegende Elektroden aufweisende Funkenstrecken in Reihe geschaltet sind und mindestens eine der Funkenstrecken aktiv, d . h. triggerbar ausgeführt ist. Erfindungsgemäß soll hinsichtlich des Ansprechverhaltens und der Koordination ausschließlich die triggerbare, d . h. aktive Fu nkenstrecke der Gesamtanordnung dominieren. Bei dem Auftreten von Netzfolgeströmen soll die Anordnung wie eine übliche Reihenschaltung von Funkenstrecken wirken. Die Lichtbogenspannung setzt sich aus den Teilspannungen der beiden Funkenstrecken zusammen und es teilt sich auch nach dem Stromnulldurchgang die wiederkehrende Netzspannung auf die Funkenstrecken auf. Damit gilt es aufgabengemäß, zwischen der getriggerten und der passiven, d . h. nicht aktiven Funkenstrecke eine belastungsabhängige Funktionsteilung zu sichern.
Aufgabe der Erfindung ist es ebenso, eine Überstromschutzeinrichtung für den Einsatz in Überspannungsschutzgeräten auf der Basis von Funkenstrecken mit höheren Nennspannungen im Bereich von 440 V bis 760 V und mehr anzugeben, und zwar in Kombination mit einem mechanischen Auslöser für eine Anzeige sowie Schmelzelementen für den Überlastschutz. Dabei soll die Möglichkeit geschaffen werden, unter Verwendung von geometrisch baugleichen Gehäuse-, Anzeige- sowie Montageteilen bei verschiedenen Spannungsniveaus eine ökonomische und funktional sinnvolle Auslegung der aktiven Teile zu gestalten, so dass eine leichte Anpassbarkeit an unterschiedliche Verwendungs- und Einsatzfälle gegeben ist. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Funkenstreckenanordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Bei der erfindungsgemäßen Reihenschaltung werden Funkenstrecken eingesetzt, die sich in einer druckfesten Kapselu ng befinden und welche mindestens eine Druckausgleichsöffnung aufweisen. Weiterhin ist ein den Abstand der Hauptelektroden der Funkenstrecke überbrückender Einsatz vorgesehen, der aus einem niederohmigen Material besteht. Dieses Material verhält sich bei Strombelastung hinsichtlich der abfallenden Restspannung stark nichtlinear.
Bei einer ersten Ausführungsvariante wird die Reihenschaltung aus zwei körperlich separierten Funkenstrecken gebildet, wobei eine der Funkenstrecken triggerbar und die zweite Funkenstrecke passiv ausgeführt ist. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Funkenstrecken in einem gemeinsamen, druckfesten, bevorzugt metallischen Gehäuse untergebracht und es besteht die Möglichkeit, zwei aktive, triggerbare Funkenstrecken für Spannungen von im Wesentlichen 760 V einzusetzen.
Die bevorzugt eingesetzten Funkenstrecken sind rotationssymmetrisch ausgeführt. Die jeweiligen gegenüberliegenden Hauptelektroden umfassen eine Hauptelektrode mit Gasumlenkkanal . Bezüglich der Grundkonstruktion der eingesetzten Funkenstrecken sei auf die Lehre nach Patent DE 10 2005 024 658 B4 verwiesen, auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Zwischen den sich gegenüberliegenden Hauptelektroden der mindestens einen passiven Funkenstrecke ist der bereits erwähnte überbrückende, niederohmige Einsatz als bevorzugt rotationssymmetrisches Teil mit zylinderförmiger, den Lichtbogenbrennraum begrenzender Öffnung angeordnet. Die der Hauptelektrode mit Gasumlenkkanal gegenüberliegende Hauptelektrode weist einen Nasenabschnitt oder einen Vorsprung auf, welcher in die zylinderförmige Öffnung, mit der Wandung dieser in Kontakt kommend, eintaucht. Es versteht sich, dass der Nasenabschnitt in seiner Außenkontu r komplementär zur Gestalt der zylinderförmigen Öffnung auszubilden ist. Das niederohmige Material des Einsatzes weist bevorzugt einen Kaltwiderstand von < 100 Ohm auf.
Der Einsatz besitzt bei einer Ausführungsvariante eine Hohlzylinderform und liegt mit einer Stirnseite vollflächig an der Hauptelektrode mit Gasumlenkkanal an.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass der bevorzugt hohlzylinderförmige Einsatz mit jeweils einer seiner Stirnseiten jeweils vol lflächig in Kontakt mit jeweils einer Hauptelektrode steht.
Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Überschlag zwischen den Hauptelektroden erst nach einer vergleichsweise längeren Zeitdauer oder bei sehr hohen Impulsströmen, was insbesondere dann von Interesse ist, wenn die Restspannu ng der Funkenstrecke bei einer Vielzahl von impulsförmigen Entladungen oberhalb der Nennspannung liegen soll, um einen Netzfolgestrom zu unterbinden.
Der lichte Abstand zwischen den jeweiligen Hauptelektroden der Funkenstrecken ist wesentlich größer als derjenige, wie er im bekannten Stand der Technik bei entsprechenden Reihenschaltungen zu finden ist, und liegt mindestens bei ca. 5 mm.
Die Druckausgleichsöffnungen sind grundsätzlich in axiale Richtung der rotationssymmetrischen Funkenstrecken orientiert und weisen voneinander weg, um eine unerwünschte Berußung von funktionswichtigen Teilen zu verhindern.
Zwischen dem rotationssymmetrischen Teil mit zylinderförmiger Öffnung und der Hauptelektrode mit Nasenabschnitt kann bei einer weiteren Ausführungsform ein Übergangsteil vorgesehen sein, welches gegenüber dem Einsatz einen höheren Widerstandswert aufweist, jedoch leitfähig ist.
Die geometrische Gestalt des Einsatzes kann in radialer und/oder axialer Richtung zur Einstellung und Variation der Stromdichte Veränderungen unterworfen werden, so dass bei der bevorzugten rotationssymmetrischen Grundkonstruktion und einem gewünschten modulartigen Aufbau durch Austausch des Einsatzes verschiedenartige elektrische Parameter verwirklicht werden können.
Bei einer Anordnung von zwei Funkenstrecken in einem gemeinsamen, druckfesten Gehäuse ist bevorzugt eine gemeinsame Mittel-Hauptelektrode vorgesehen, welche in diesem Fall gegenüber der Mantelkapselung isoliert ist.
Die Druckausgleichsöffnungen sind axial und gegenüberliegend im Bereich der Außenkontaktierung der jeweiligen Hauptelektrode als Kanäle kleinen Querschnitts zum langsamen Druckabbau des bereits abgekü hlten Gases ausgeführt. Auch bezogen auf die Ausbildung der Druckausgleichskanäle und der mäanderförmigen Umlenkung der Gasströmung sei auf die Patentanmeldung DE 10 2007 001 093.3 verwiesen, die hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung erklärt und eingeführt wird .
Die externe Triggerschaltung zum Zünden der aktiven Funkenstrecke ist auf die Triggerelektrode dieser aktiven Funkenstrecke u nd auf die elektrischen Endanschlusspunkte der Reihenschaltung geführt.
Mit der vorgestellten Funkenstreckenanordnung gelingt es, Standard-Funkenstrecken in gekapselter, druckfester Ausführung mit Druckausgleichsöffnungen für höhere Nennspannungen durch Reihenschaltung zu ertüchtigen, wobei in einer einfachen Basisvariante nur eine einzige getriggerte Funkenstrecke mit einer einzigen passiven Funkenstrecke in Reihe verschaltet wird . Bei der Erfindu ngslehre wird die notwendige Folgestrombegrenzung durch die Erhöhung der Lichtbogenfeldstärke infolge der Druckerhöhung bzw. in Kombination mit der Lichtbogenkühlung durch Beströmen des Lichtbogens innerhalb von gekapselten Fu nkenstrecken erreicht. Dabei betragen die Abstände der Hauptelektroden mindestens 5 mm. Das niederohmige Material des Einsatzes befindet sich innerhalb der passiven Funkenstrecke unmittelbar im Bereich des Lichtbogenkanals und begrenzt radial vollständig oder teilweise den wandstabilisierten Lichtbogen.
Das Material, das den Abstand zwischen den Hauptelektroden der passiven Funkenstrecke überbrückt, weist einen Kaltwiderstand von weniger als 100 Ohm auf und verhält sich bei Strombelastung hinsichtlich der abfallenden Restspannung stark nicht linear, d. h. die Spannung fällt trotz weiter steigendem Strom ab. Das eingesetzte Material kann kurzzeitig impuls- förmige Ströme von mehreren kA ohne nachhaltige Schädigung bis zum Überschlagen fü hren. Die dabei entstehende Restspannung liegt deutlich unter 2 kV. Die Höhe und die Dauer der Restspannung kann zudem über die Beeinflussung der Stromdichteverteilung im Material selbst, durch die geometrische Gestaltung des Einsatzes bzw. aber auch durch eine funktionale Unterteilung aus mehreren Materialien eingestellt bzw. beeinflusst werden.
Die erfindungsgemäße passive Funkenstrecke beeinflusst nicht das Ansprech- , Koordinations- und Restspannungsverhalten der gesamten Reihenschaltung. Durch die Unterteil ung in Teilfunkenstrecken sinkt die thermische und dynamische Belastung jeder Einzelfunkenstrecke und es ergeben sich vielfältige konstruktive Gestaltungsmöglichkeiten. Das Leistungsvermögen des sich aus der Reihenschaltung ergebenden Blitzstromableiters ist hinsichtlich der Folgestrombegrenzung, des Blitzstromtragvermögens und der Alterung verbessert. Gegenüber einer Reihenschaltung von zwei triggerbaren Ableitern ergibt sich der Vorteil, dass sowohl Raum als auch Kosten für die zweite bzw. mehrere Zündeinheiten eingespart werden können. Bei einer üblichen Reihenschaltung von triggerbaren Funkenstrecken muss nämlich entweder eine zeitgleiche Zündu ng erfolgen, was hohe Anforderungen an die Funkenstrecken, die Triggerschaltung und die Potentialsteuerung stellt, oder es muss die Triggerschaltu ng die Zündverzugszeiten der einzelnen Funkenstrecken ausgleichen können, da üblicherweise Triggerschaltungen nur einen zeitlich und energetisch begrenzten Zündimpuls liefern. Durch den Einsatz einer oder mehrerer passiver Funkenstrecken in der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Reihenschaltung können die Kosten für zusätzliche Zündschaltungen eingespart werden.
Ausgehend von der vorgestellten Grundkonstruktion der Reihenschaltung von Funkenstrecken ist es möglich, Ableiter für 440 V, aber auch für 760 V Spannungen zu fertigen. Dabei verfügt der Ableiter fü r die Ebene mit 440 V über eine passive Funkenstrecke und eine in Reihe geschaltete triggerbare Funkenstrecke mit Triggerschaltung. Bei Geräten mit höherer Spannung sind zwei triggerbare Funkenstrecken in Reihe geschaltet. Die entsprechenden Triggerschaltungen sind auf der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Steuerplatine vorhanden. Die übrigen Mittel wie Sicherungselemente und die Anzeigeeinheiten sind jeweils identisch, d . h. hier bestehen zwischen den Ableitern 440 V / 760 V keine wesentlichen Unterschiede.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die Sicherungselemente für die Funkenstreckenanordnung, insbesondere Schmelzelemente, in eine Reihenschaltung mehrerer Sicherungen aufzuteilen, die neben der elektrischen Verbindung teilweise in einem mechanischen Reihenverbund und andererseits teilweise in einem mechanischen Parallelverbund stehen. Durch die so vorgenommene Aufteilung der Sicherungsanordnung entstehen verschiedene Möglichkeiten der geometrischen Gestaltung und damit zur optimalen Raumausnutzung bei ansonsten eingesetzten Standardgehäusen.
Die Aufteilung erlaubt darüber hinaus eine große Varianz hinsichtlich Restspannungsverhalten, Überschlagsschutz, Strombegrenzung, dem eigentlichen Leistungsvermögen und den notwendigen Abständen zu gefährdeten weiteren Bauteilen, insbesondere einer Triggerschaltung .
Wie bereits dargelegt, ist erfindungsgemäß eine Reihenschaltung aus mehreren Schmelzelementen vorgesehen, welche einen geometrisch vorgegebenen, mechanischen und elektrischen Verbund bilden.
Diese Reihenschaltu ng weist in einer Ausgestaltung einen mechanischen und elektrischen Parallelverbund aus Schmelzelementen auf, wobei mindestens eines der Schmelzelemente des Parallelverbunds einen Schlagbolzen als mechanischen Auslöser zum Betätigen einer Funktionsanzeige umfasst.
Ein erster Teil des Reihenverbunds ist auf einer Seite eines Verdrahtungsträgers, insbesondere einer Leiterplatte, und ein zweiter Teil des Reihenverbunds auf einer zweiten, der ersten gegenüberliegenden Seite des Verdrahtungsträgers befindlich. Der erste Teil des Reihenverbunds umfasst mindestens zwei zylindrische Einzelsicheru ngen, welche durch einen leitfähigen Zylinder an den Stirnseiten und dort vorhandenen Anschlusskappen mechanisch und elektrisch verbunden sind. Diese mechanische und elektrische Verbindung mit Hilfe des leitfähigen Zylinders erfolgt nur im Bereich der mechanischen Anschlusskappen, so dass die Isolations- und Trennabstände erhalten bleiben.
Der Verbund aus den zylindrischen Einzelsicherungen mit dem leitfähigen Verbindungszylinder kann von einem isolierenden Material, insbesondere von einem Schrumpfschlauch überzogen sein.
Der zweite Teil des Reihenverbunds umfasst den bereits erwähnten Parallelverbund, wobei der Parallelverbund überwiegend von einem Schutzgehäuse umgeben ist, dem weitere, nachstehend noch geschilderte Funktionen zugewiesen werden können.
Die Anschlusskappen der Schmelzelemente des Parallelverbunds sind elektrisch und mechanisch verbunden und gehen in einen Anschlussfortsatz über, welcher jeweils eine Montage auf dem Verdrahtungsträger ermöglicht.
Die freien Enden der Einzelsicherungen des ersten Teils des Reihenverbunds weisen ebenfalls Anschlusskappen mit Lötfähnchen oder laschenartigen Fortsätzen auf.
Zur Anpassung an die Nennspannungsbereiche besteht die Möglichkeit, eine oder mehrere der Einzelsicherungen bzw. Schmelzelemente durch einen leitfähigen, insbesondere metallischen, geometrisch im Durchmesser angepassten Zylinder zu ersetzen. Dabei kann der Zylinder auch über eine vorgegebene Impedanz verfügen.
Der Verdrahtungsträger weist in einer bevorzugten Ausführu ngsform eine langgestreckte, rechteckige Gestalt mit an den Schmalseiten angebrachten Schraubanschlusslaschen auf. Der erste Teil des Reihenverbunds ist an einer Längsaußenkante, mit dieser im Wesentlichen seitlich abschließend, am Verdrahtungsträger befindlich.
Der zweite Teil des Reihenverbunds, den Parallelverbund enthaltend, ist im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse des ersten Teils des Reihenverbunds auf dem Verdrahtungsträger angeord net.
Das Schutzgehäuse ist zur Längskante des Verdrahtungsträgers offen, um einen Austritt des Schlagbolzens sowie eine Wirkverbindung des Schlagbolzens hin zu einem federvorgespannten Anzeigeschieber zu gestatten.
Das Schutzgehäuse besitzt an seiner vom Verdrahtungsträger abgewandten Oberseite eine farblich gestaltete Indikatorfläche oder einen Indikatorflächenfortsatz, der am Gehäuse angeformt ist. Hierdurch kann bezogen auf ein Sichtfenster in einer Abschlusskappe oder einem Außengehäuse, das einen Blick auf die Oberseite des Schutzgehäuses freigibt, ein Funktionszustand angezeigt werden, indem ein Schieber entweder den Blick auf die Oberseite freigibt oder diesen Blick versperrt.
Es besitzt also das Schutzgehäuse zum einen die Funktion der Isolation des Parallelverbunds und dient dem Zweck des Zurückhaltens von Elementen im Fall des Auslösens dieser Sicherung . Weiterhin dient das Gehäuse der vorerwähnten Bildung einer Indikatorfläche oder der Aufnahme eines Indikatorflächenfortsatzes.
Der Verdrahtungsträger ist bevorzugt auf der Oberseite eines Gehäuses montierbar, wobei das Gehäuse in seinem Inneren eine Anordnung von Überspannungsableitern, insbesondere Funkenstrecken aufnimmt. Diese Anordnung von Überspannungsableitern, insbesondere Funkenstrecken liegt in Reihenschaltung vor.
Eine der Funkenstrecken der Anordnung kann triggerbar sein, wobei in diesem Fall die Triggerschaltung sich auf dem Verdrahtungsträger befindet.
Das Gehäuse zur Aufnahme der Funkenstrecken besitzt an seiner Oberseite über eine Längskante eine muldenartige Ausnehmung, in welche der erste Teil des Reihenverbunds eintaucht, um auf diese Weise eine Schutz- und Isolationsfunktion des ersten Teils des Reihenverbunds zu bewirken.
Die Gesamtanordnung aus im Gehäuse montierten Funkenstrecken, auf der Oberseite des Gehäuses befindlichen Verdrahtungsträger mit elektrischen Elementen sowie der Reihenschaltung aus mehreren Schmelzelementen ist von einer isolierenden Kappe umgebbar, wobei die Kappe das bereits erwähnte Sichtfenster zum Erkennen des Funktionszustands bezüglich der Indikatorflächen aufweist.
Die Überstromschutzeinrichtung ist durch einen modulartigen Aufbau mit ausgewählten Schmelzelementen für die Reihenschaltung gekennzeichnet, um eine leichte Anpassung an unterschiedliche Nennspannungen zu bewirken.
Der Anzeigeschieber, welcher federvorgespannt ist und vom Schlagbolzen des Parallelverbunds freigegeben werden kann, besitzt eine Anzeigefläche, welche eine farblich abweichende Indikatorfläche, insbesondere die Indikatorfläche der Oberseite des Schutzgehäuses freigibt oder verdeckt.
Weiterhin besitzt der Anzeigeschieber einen Fortsatz, welcher sich in Längsrichtung über die Schmalseite des Verdrahtungsträgers hinaus erstreckt, um dort mit einem Fernmeldekontakt in Wirkverbindung zu treten.
Die in der Reihenschaltung der Überstromschutzeinrichtung einsetzbaren Schmelzelemente bestehen aus preiswert zu fertigenden Einzelsicherungen, jeweils z. B. für eine Spannungsebene von 250 V.
Für den ersten Teil der Reihenschaltung werden mindestens zwei der Sicherungen durch einen passgenauen Zylinder miteinander verbunden. Der Zylinder kann bevorzugt ein Metalizylinder sein, der neben der elektrischen Verbindung auch das mechanische Fixieren und die notwendige mechanische Stabilisierung des entsprechenden Teils der Reihenschaltung übernimmt. Die Anzahl der Anschlusselemente ist durch diese Art der Verbindung geringer als bei einer einfachen Reihenschaltung von elektrischen Einzelsicherungen, die jeweils z. B. durch Löten mit einer Leiterplatte verbunden werden. Der Abstand der verbleibenden Anschlusselemente bzw. Abschlusskappen der Sicherungen ist erheblich, wodurch die Einhaltung der Trennstreckenabstände erleichtert wird und die Überbrückungsgefahr deutl ich sinkt.
Die bevorzugte Anordnung der vorbeschriebenen Reihenschaltung auf der Unterseite des Verdrahtungsträgers schafft neben ausreichenden Trennu ngs- abständen auf dem Verdrahtungsträger auch Platz auf der Bestückungsseite, d . h. der gegenüberliegenden Seite, einerseits über die Volumeneinsparung und andererseits durch die Vermeidung kritischer Näherungen zwischen den überlastgefährdeten Elementen und der Schutzeinrichtung .
Der erste Teil der Reihenschaltung wird an der Oberseite durch die Platine von den Bauteilen des Zündkreises getrennt und auf der Unterseite durch die muldenartige Ausprägung des Gehäuses. Es ergibt sich hierdurch quasi eine vollständige isolierende Umhüllung der Schutzeinrichtu ng . Dies verhindert im Fehlerfall eine Berußung, die womöglich auftritt, und es werden die Trennstrecken des Zündkreises beim Freiwerden von Gas oder Plasma aus der Sicherung vor Überschlägen geschützt.
Die den zweiten Teil des Reihenverbunds darstellende Parallelverbundanordnung ist bevorzugt ausgestaltet wie in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 026 711.7 beschrieben. Der Inhalt dieser Patentanmeldu ng wird hiermit vollständig zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung erklärt.
Die eingesetzten Schmelzelemente als Sicherungen der Parallelschaltung und auch des Reihenverbunds besitzen bei maximaler Nennspannung bevorzugt den gleichen Schmelzleiter. Dies sichert bei adiabatischen Belastungen u nd bei Belastungen, bei denen die axiale Wärmeabgabe gegenüber der radialen Wärmeabgabe dominiert, ein nahezu gleichzeitiges Ansprechen aller Sicherungen.
Die Kennlinie der Reihenschaltung der Sicherungen entspricht somit einer Teilbereichsicherung . Die Abmessungen einer derartigen Reihenschaltung sind bei vergleichbaren Schaltvermögen erheblich kleiner als von Einzelsicherungen, z. B. für eine Nennspannung von 690 V.
Neben der erwähnten Platzeinsparung erlaubt die Aufteil ung der Sicherung in mehrere Teileinheiten auch eine sehr flexible Anordnung der einzelnen Funktionseinheiten bezogen auf die Position und Lage hinsichtlich des Verdrahtungsträgers.
Bei gewünschten niedrigeren Nennspannungen können eine oder mehrere Sicherungen des Reihenverbunds durch einen einfachen metallischen Zylinder ersetzt werden. Dies führt neben der Kostenreduktion auch zu einer Reduzierung des Restspannung und unterstützt somit die gewünschte Ableitergrundfunktion. Durch eine beidseitige Anordnung von Metalizylindern neben einer realen Schmelzsicherung im Reihenverbund kann zudem die Stromkraftwirkung auf den Schmelzleiter reduziert werden, wodurch höhere Impulsströme getragen werden können.
Durch den Einsatz der bereits erwähnten impedanzbehafteten Zylinder können auch die Anforderungen hinsichtlich des Schaltvermögens der eigentlichen Sicherung reduziert werden, da der prospektive Kurzschlussstrom durch die Impedanz begrenzt wird .
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen :
Fig . 1 eine Reihenschaltung einer getriggerten Funkenstrecke und einer passiven, ungetriggerten Funkenstrecke als diskrete Elemente in jeweils druckfester Kapselung;
Fig . 2 eine beispielhafte Geometrie einer passiven Funkenstrecke, wie sie für die Reihenschaltung gemäß der Erfindung zur Anwendung kommt; Fig . 3 eine weitere Ausführungsform einer Geometrie einer passiven
Funkenstrecke, wie sie erfindungsgemäß bei der Reihenschaltung zur Anwendung kommt;
Fig . 4 eine besonders bauraumsparende Anordnung einer getriggerten und einer passiven Funkenstrecke in einer gemeinsamen, metallischen druckfesten Kapselung mit gegenüberliegenden Druckausgleichsöffnungen in Form von Kanälen kleinen Querschnitts,
Fig . 5 und 6 eine Darstellung des ersten Teils des Reihenverbunds von Schmelzelementen;
Fig . 7 eine Draufsicht auf das Gehäuse mit eingeschlossenen
Funkenstrecken und erkennbarer muldenartiger Ausnehmung an der Oberseite des Gehäuses;
Fig . 8 eine Seitenansicht einer Anordnung mit Gehäuse sowie
Verdrahtungsträger, welche u .a. die Triggerschaltung sowie die Überstromschutzeinrichtung aufnimmt;
Fig . 9 eine Darstel lung ähnlich derjenigen nach Fig. 8, jedoch in perspektivischer Form und
Fig . 10 eine Darstel lung der Reihenschaltung der Funkenstrecken im
Gehäuse 112.
Die Fig . 1 zeigt eine Reihenschaltung (Schnittdarstellung) einer getriggerten Funkenstrecke 1 (aktive Funkenstrecke) und einer ungetriggerten (passiven) Funkenstrecke 2.
Die Triggerschaltung 3 der aktiven Funkenstrecke 1 weist einen Anschluss 4 auf, der mit einem Anschluss 5 einer Hauptelektrode 8 der passiven Funkenstrecke 2 in Verbindung steht. Ein weiterer Anschluss der Triggerschaltung 3 führt zur Hauptelektrode 8 der aktiven Funkenstrecke 1, die auch den Triggerkontakt durch eine Isolation 20, herausgeführt aus der druckfesten metallischen Kapselung 21 besitzt.
Druckausgleichsöffnungen 6 der Funkenstrecken 1 und 2 und die Gasströmungsrichtung 7 (Pfeildarstell ung) innerhalb der Funkenstrecken 1 und 2 sind entgegengesetzt orientiert.
Beide Funkenstrecken 1 und 2 besitzen jeweils mehrere unabhängige Entlüftungsöffnungen 6 zur besseren Steuerung der Strömung und zur effektiven Abkühlung der beim Zünden und Brennen des Lichtbogens entstehenden Gase. Jeweils eine der Hauptelektroden 8 besitzt eine Öffnung 22, die einen Teil eines Gasumlenkkanals bildet, der in die Druckausgleichsöffnungen 6 übergeht.
Die triggerbare Funkenstrecke 1 besitzt zwei Hauptelektroden, nämlich die Hauptelektrode 8 und 9, sowie eine Hilfselektrode 10, die mit dem Triggerkontakt 20 in elektrischer Verbindung steht.
Weiterhin weist d ie Funkenstrecke 1 mindestens eine Isolationsstrecke 12 auf, die sich zwischen den Hauptelektroden 8 und 9 dieser Funkenstrecke befindet.
Auch die passive Funkenstrecke 2 weist zwei Hauptelektroden 8 und 9 auf. Ein als Distanzstück 13 ausgebildeter Einsatz zwischen den Hauptelektroden 8 und 9 der passiven Funkenstrecke ist bevorzugt einstückig aus einem sehr niederohmigen Material gefertigt. Bei einer bevorzugten Geometrie von d = 15 mm, di = 5 mm und h = 5 mm ergibt sich bei einem Prüfstrom von wenigen mA ein Kaltwiderstand von < 100 Ohm.
Das Distanzstück 13 ist bevorzugt als Hohlzylinder ausgeführt und liegt gemäß der Darstellung nach Fig. 1 mit einer seiner Stirnseiten vollflächig auf der Hauptelektrode 8 auf. In den Innenraum des Einsatzes 13 , d . h. der dort vorhandenen zylindrischen Öffnung, ragt ein Nasenabschnitt 23 der Hauptelektrode 9 hinein, wodurch sich ein radialer Kontakt mit dem Einsatz bzw. dem Distanzstück 13 ergibt. Das Distanzstück 13 ist zur Vermeidung von Überschlägen im Kontaktie- rungsbereich zwischen dem Nasenabschnitt 23 der Hauptelektrode 9 und der tellerförmigen Elektrodenhalterung 14 gegen diese über das Teil 15 isoliert.
Die Eintauchtiefe des Nasenabschnitts 23 der Elektrode 9 in das Distanzstück 13 steigt mit der gewünschten Höhe der Leistungsfähigkeit des Ableiters und sinkt bei steigender Abbrandfestigkeit des Elektrodenmaterials. Die Eintauchtiefe ist hierbei so bemessen, dass sowohl der axiale Abbrand der Nasenelektrode 9 als auch der radiale Abbrand des Distanzstücks 13 nicht zu einer isolierenden Trennstrecke zwischen den Teilen 13 und 9 führt. Nach dem Ansprechen der Funkenstrecke 1 bei Impulsbelastung fließt ein Strom bis zu mehreren kA über das Distanzstück 13, bis der Weg zwischen den Elektroden 8 und 9 der passiven Funkenstrecke 2 überschlagen wird . Infolge des nichtlinearen Verhaltens des Materials des Distanzstücks 13 wird nur eine geringe Restspannung über dem Material des Distanzstücks 13 erzeugt, welche den Schutzpegel des gesamten Ableiters nicht erhöht.
Aufgrund von Fertigungs- und Materialtoleranzen, Verschmutzungen oder extremer Belastung können jedoch Kontaktprobleme oder ein verändertes Überschlagsverhalten des Distanzstücks 13 auftreten, wodurch sich unerwünschte Rückwirkungen auf die Restspannung des Ableiters ergeben können. Dies kann bei hohen Anforderungen an die Höhe und Dauer der Restspannu ng des Ableiters durch einen in der Triggerschaltung 3 integ rierten Überspannungsfeinschutz und durch die Art der Kontaktierung, welche die passive Funkenstrecke umfasst, ausgeglichen werden.
Bei reproduzierbaren Fertigungs- und Materialeigenschaften bzw. nicht besonders hohen Beanspruchungen und/oder geringeren Anforderungen an die Schutzpegel kann die Kontaktierung der Triggereinrichtung auch zwischen den beiden Funkenstrecken, also nur an den Anschlüssen der Funkenstrecke 1, erfolgen.
Die Höhe und die Dauer des Stroms durch das Distanzstück 13 sowie das Überschlagsverhalten können neben den Materialeigenschaften dieses Teils auch durch die Steuerung der Stromdichte und die Stromverteilung im Distanzstück 13 beeinflusst werden. Dies kann neben der Beeinflussung der Restspannu ng auch zur Steuerung des Leistungsumsatzes, des Abbrands und der thermischen Belastung der Funkenstrecke und insbesondere des Einsatz- Stücks 13 genutzt werden. Die Hauptelektroden 8 und 9 der passiven Funkenstrecke 2 können gegenüber dem Distanzstück 13 vollständig oder teilweise isoliert werden.
Die Fig . 2 zeigt eine beispielhafte Geometrie als Querschnittsdarstellung für eine passive Fu nkenstrecke. Auch hier sind zwei gegenüberliegende Hauptelektroden 8 und 9 vorhanden. Die Elektroden sind isoliert in einer metallischen Kapselung 21 befindlich.
Die gezeigten Hauptelektroden 8 und 9 können gegenüber dem Einsatzstück 13 auch isoliert werden, wobei die Überschlagspannung der Isolation jedoch deutl ich unterhalb des gewünschten Schutzpegels und auch unterhalb der Restspannu ng der Triggerschaltung liegen muss.
Alternativ zu einer Isolation ist ein definierter Übergangsbereich mit einer dünnen und gegenüber dem Distanzstück 13 hochohmigeren, jedoch elektrisch leitenden Schicht 16 möglich. Beide geschilderten Maßnahmen bedingen eine höhere Stromdichte an der quasi Kanalinnenseite des als Hohlzylinder ausgeführten Distanzstücks 13 u nd führen zu einem beschleunigten Überschlagsverhalten. Zusätzlich wird eine Vorionisation im isolierten bzw. hochohmigeren Bereich bewirkt.
Das Distanzstück 13 kann zudem im Umfang des Hohlzylinders sowohl in radialer als auch in axialer Richtung hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit variiert werden. H ierdurch können neben der Steuerung der elektrischen Stromdichte im Distanzstück 13 auch Effekte einer thermischen Isolation gegenüber den Elektroden 8 und 9 bewirkt werden. Darüber hinaus kann die Variation der Materialien im Entladungskanal der Funktionsteilung dienen bzw. zur Beeinflussung der Temperatur- und Druckfestigkeit sowie der besseren Alterungsqualität und zur Reduzierung des Abbrands genutzt werden.
Die Fig . 2 zeigt hier beispielsweise eine im Wesentlichen nur axiale Funktionsaufteilung . Im Gegensatz zur Darstellung nach Fig. 1 sind gemäß Fig . 2 die Elektroden 8 und 9 hinsichtlich der metallischen Kapselung 21 isoliert.
Die Fig . 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer möglichen Geometrie in Querschnittsdarstellung für d ie passive Funkenstrecke 2.
Bei dieser Funkenstrecke 2 soll ein Überschlag zwischen den Hauptelektroden 8 und 9 erst bei einer vergleichsweise langen Zeitdauer oder sehr hohen Impulsströmen erfolgen.
Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Restspannung der Funkenstrecke 2 bei einer Vielzahl von impulsförmigen Entladungen oberhalb der Nennspannung liegen soll, um einen Netzfolgestrom zu unterbinden.
Zu diesem Zweck wird das Distanzstück 13 an beiden Stirnseiten vollflächig mit den jeweiligen Hauptelektroden 8 und 9 kontaktiert, um eine weitest- gehend homogene Stromdichte innerhalb des Distanzstücks 13 zu bewirken. Zusätzlich können Erhöhungen der elektrischen Feldstärke, insbesondere im Überschlagsbereich vermieden werden.
Mit Hilfe der Fig . 4 sei eine prinzipielle Ausführungsform von zwei Funkenstrecken in Querschnittsdarstellung illustriert, die sich innerhalb einer gemeinsamen metallischen Kapselung 21 befinden.
Beide Funkenstrecken besitzen eine gemeinsame Mittelelektrode 9, welche gegenüber der druckfesten Kapselung 21 isoliert ist. Im Bereich der passiven Funkenstrecke 2 ist jedoch eine niederohmige Verbindung zur dortigen Hauptelektrode 8 vorhanden. Im Gegensatz zur Darstel lung nach Fig . 1, bei welcher bei beiden Funkenstrecken 1 und 2 jeweils eine Hauptelektrode unmittelbar mit dem metallischen Mantel 21 in Kontakt steht, werden mindestens bei einer der Funkenstrecken 1 und 2 gemäß Darstellung nach Fig . 4 beide Hauptelektroden gegenüber dem Mantel bzw. der Kapselu ng 21 isoliert.
Gemäß der Darstellung nach Fig . 4 ist dies bei der passiven Funkenstrecke 2 der Fall . Alternativ können auch die Funkenstrecke 1 oder aber auch beide Funkenstrecken mit isolierenden Hauptelektroden 8 u nd 9 ausgeführt werden. Die Isolation der Hauptelektroden 8 und 9 wird gegenüber einer isolierenden Unterbrechung des druckfesten metallischen Mantels 21 aufgru nd eines besseren Überlastverhaltens bevorzugt. Die Funkenstrecken entsprechend Fig. 4 besitzen ebenso wie in Fig . 1 dargestellt, entgegengesetzte Entlüftungs- und Druckausgleichsöffnungen oder Kanäle 6.
Die Hauptelektroden weisen bei beiden Funkenstrecke 1 und 2 jeweils mindestens einen Abstand von im Wesentlichen 5 mm auf. Der Druck im Entladungsbereich, welcher vom Einsatz 13 vollständig oder teilweise umschlossen wird, beträgt bei Impuls- und Folgestromentlad ungen bis zu mehreren 100 bar. Bei prospektiven Netzfolgeströmen im Bereich von > 500 A bis zu mehreren kA werden Drücke von mindestens 10 bar erreicht.
Zur Steuerung der Ansprechspannung und zur Zündung der Funkenstrecken ist keine aufwendige und überlastungsgefährdete, externe, zusätzliche kapazitive oder ohmsche Spannungssteuerung erforderlich, welche zudem über den gesamten relevanten Frequenzbereich abgestimmt werden müsste. Die gezeigte Reihenschaltu ng von zwei Funkenstrecken ist grundsätzlich beliebig erweiterbar.
Die Reihenschaltung aus einer Funkenstrecke mit Isolation und einer quasi kurzgeschlossenen Funkenstrecke besitzt gegenüber zwei Funkenstrecken mit jeweils isolierter Trennstrecke an sich den Nachteil, dass nur eine Trennstrecke eine Sofortverfestigung nach dem Stromnulldurchgang bereitstellt. Die Sofortverfestigungsspannung liegt im Bereich von ca. 300 V. Bei dem Einsatz einer solchen Funkenstrecke bei höheren Betriebsspannungen, insbesondere bei Spannungen über der Sofortverfestigungsspannung besteht die Gefahr von Wiederzündungen. Um ungeachtet dieses Nachteils mit nur einer Isolationsstrecke arbeiten zu können, wird der Effekt genutzt, dass die eingesetzten Funkenstrecken die sich ausbildende Druckerhöhung zur Löschung des Folgestroms nutzen. Durch die Verwendung des Drucks zur Löschung des Folgestroms besteht auch nach dem Stromnulldurchgang, insbesondere bei einem allmählichen Druckabbau, die Möglichkeit, den relativ hohen Druck für die Erhöhung der dielektrischen Spannungsfestigkeit der Trennstrecke wirksam werden zu lassen. Die Spannungsfestigkeit nach dem Stromnulldurchgang kann somit proportional mit der Druckerhöhung gesteigert werden, wodurch Wiederzündungen vermeidbar sind. Dies ermöglicht in überraschender Weise den Einsatz der vorgeschlagenen Funkenstreckenkombination auch bei Nennspannungen deutlich oberhalb der Sofortverfestigungsspannung für eine Trennstrecke.
Die eingesetzte Überstromschutzeinrichtung umfasst eine Reihenschaltung aus mehreren Schmelzelementen, welche einen geometrisch vorgegebenen, mechanischen und elektrischen Verbund bilden.
Ein erster Teil des Reihenverbunds umfasst zwei zylindrische Einzelsicherungen 100 und 200. Diese beiden zylindrischen Einzelsicherungen 100 und 200 werden durch einen leitfähigen, bevorzugt metallischen Zylinder 300 an den Stirnseiten 400 und dort vorhandenen Anschlusskappen 500 mechanisch und elektrisch, z. B. durch Klemmen oder Verlöten verbunden.
Der so entstandene Verbund aus den zylindrischen Einzelsicherungen 100 und 200 mit dem Verbindungszylinder 300 ist mit einem isolierenden Schrumpfschlauch 600 überzogen (siehe Fig. 6).
Die freien Enden der Einzelsicherungen 100 und 200 weisen ebenfalls Anschlusskappen 500, jedoch mit Lötfähnchen 500a, welche dem elektrischen Anschluss und dem mechanischen Fixieren auf einer Leiterplatte dienen, auf.
Die Reihenschaltung umfasst darüber hinaus einen mechanischen und elektrischen Parallelverbund aus Schmelzelementen, wobei mindestens eines der Schmelzelemente des Parallelverbunds einen Schlagbolzen als mechanischen Auslöser aufweist. Der mechanische Auslöser kann als drahtförmiges Auslöseteil ausgeführt sein, wobei bevorzugt dieser Draht des Auslöseteils über einen Teil der gesamten Überstromschutzeinrichtung parallel geschaltet wird, was den Vorteil hat, dass die Abstimmung der Stromkommutierung und des Schaltvermögens sich auf diesen Teil der Sicherung beschränkt.
Bei einer Parallelschaltung zur gesamten Sicherungsanordnung, d . h. parallel zu allen Teilsicherungen, müsste der Schmelzleiter der Indikatorsicherung das volle Schaltvermögen besitzen, was zwar möglich ist, jedoch zu höheren Kosten führt.
In einer Ausführungsform kann der Schmelzleiter der Sicherung, zu welcher der Indikator parallel geschaltet ist, mit einem minimal niedrigeren Schmelzinteg ral versehen werden, um eine sichere Anzeige auch bei geringen Überlastungen zu gewährleisten.
Da das vollständige Ausgasen der Indikatorsicherung bzw. das Wegschleudern von Teilen des Indikators nur mit hohem Aufwand vermieden werden kann, besteht grundsätzlich die Gefahr des Au ßenüberschlags der Sicherungsanordnung bei hohen Spannungen.
Um dieser Gefahr entgegenzuwirken, wird der Indikatorteil, d . h. der Parallelverbund, mit einem zusätzlichen Gehäuse 700 (siehe Fig . 8 und 9) versehen.
Dieses Gehäuse 700 blockiert den Außenüberschlag und reduziert die Gefahr, die durch frei werdende Indikatorteile (Schlagbolzen) entstehen können, erheblich.
Wie aus der Fig . 8 ersichtlich, ist das Gehäuse 700 bevorzugt im rechten Winkel bezogen auf die Längsachse des Verdrahtungsträgers 800 angeordnet.
Der erste Teil des Reihenverbunds 900, umfassend die Einzelsicherungen mit Verbindungszylinder und Schutzüberzug, ist auf der Unterseite des Verdrahtungsträgers 800 befindlich, wobei der zweite Teil des Reihenverbunds, der sich im Gehäuse 700 befindet, auf der Oberseite des Verd rahtungsträgers 800 angeordnet wird.
Aus der Darstellung nach Fig. 9 ist ersichtlich, dass der Verdrahtungsträger 800 eine langgestreckte, rechteckige Form mit an den Schmalseiten angebrachten Schraubanschlusslaschen 110 aufweist, wobei der erste Teil des Reihenverbunds 900 an einer Längsaußenkante, mit dieser im Wesentlichen seitlich abschliessend, befindlich ist. Das Schutzgehäuse 700 ist zur Längskante des Verd rahtu ngsträgers 800 offen, um einen Austritt des darin befindlichen Schlagbolzens sowie eine Wirkverbindung zu einem federvorgespannten Anzeigeschieber 111 zu ermöglichen.
Das Schutzgehäuse 700 besitzt an seiner vom Verdrahtungsträger 800 abgewandten Oberseite eine farblich gestaltete Indikatorfläche, z. B. rot, oder weist einen Indikatorflächenfortsatz auf, der sich vom Gehäuse 700 ausgehend erstreckt.
Der Verdrahtungsträger 800 ist auf der Oberseite eines Gehäuses 112 montierbar, wobei im Gehäuse 112 sich eine in Reihe geschaltete Funkenstreckenanordnung befinden kann.
Die Vorteile der Gehäusekonstruktion hinsichtlich der Schaffung separater, gegeneinander abgeschotteter Teilbereiche sollen unter Hinweis auf die Fig . 7 bis 10 nachstehend erläutert werden.
Als abgeschottete Teilbereiche sind das Oberteil des Verdrahtungsträgers 800, die nutenförmige Ausnehmung 114, das Funkenstreckengehäuse 112 und das Sicherungsgehäuse 700 anzusehen. Der Bereich der Trägerplatine und der Sicherungen wird von dem Funkenstreckengehäuse 112 durch eine isolierende Trennplatte vor Berußung oder Verschmutzung aus diesem Bereich geschützt. Die Sicherung in der nutenförmigen Ausnehmung 114 wird somit, neben den Verunreinigungen aus dem Bereich des Verdrahtungsträgers 800, auch vom Funkenstreckengehäuse 112 abgeschottet. Es können damit weder Verunreinigungen aus dem Funkenstreckenbereich noch Verschmutzungen durch zerstörte Bauelemente auf dem Verdrahtungsträger das Schaltvermögen der Sicherung 900 beeinträchtigen.
Der weitere Teil der Reihenschaltung der Sicheru ngen wird durch das Gehäuse 700 für den Parallelverbund vor Berußung vom Verdrahtu ngsträger geschützt und kann gleichzeitig keine Überschläge auf dem Verdrahtungsträger verursachen. Mindestens eine Funkenstrecke der Funkenstreckenanordnung ist triggerbar und es kann sich die Triggerschaltung auf dem Verdrahtu ngsträger befinden. Die Kontaktierung zwischen Verdrahtungsträger und der zu triggernden Funkenstrecke kann über eine Kontaktfeder erfolgen, die sich durch eine Ausnehmung 113 im Gehäuse 112 erstreckt (Fig . 7).
Weiterhin besitzt das Funkenstreckengehäuse 112 an seiner Oberseite eine muldenartige Ausnehmung 114, in welche der erste Teil 900 des Reihenverbunds eintaucht, um eine Schutz- und Isolationsfunktion zu bewirken (siehe hierzu Fig . 7 und 8).
Die Gesamtanordnung kann von einer isolierenden Kappe umgeben werden, wobei die Kappe ein Sichtfenster aufweist, um einen Blick auf die Oberseite des Gehäuses 700 bzw. den Anzeigeschieber 111 zu gestatten.
Der Anzeigeschieber 111 weist eine Anzeigefläche 115 auf. Diese Anzeigefläche kann z. B. eine grüne Farbe besitzen, die den Zustand „in Ordnung" signalisiert.
Bewegt sich der Anzeigeschieber in der Darstellung gemäß Fig. 9 nach links, wird die darunter liegende Oberseite des Gehäuses 700, welche andersfarbig gestaltet ist, freigegeben und ein Fehlerzustand signalisiert.
Der Anzeigeschieber 111 besitzt darüber hinaus einen Fortsatz 116, welcher sich in Längsrichtung über die Schmalseite des Verdrahtungsträgers 800 erstreckt, um mit einem Fernmeldekontakt 117 in Wirkverbindung zu treten.
Im Bereich des Fortsatzes 116 besitzt der Anzeigeschieber 111 eine dornen- artige Ausformung, die eine Schraubendruckfeder aufnimmt, welche sich gegenüber dem Funkenstreckengehäuse 112 abstützt, um die notwendige Vorspannung zu erzeugen.
Bezugszeichenliste
1 aktive Funkenstrecke passive Funkenstrecke
Triggerschaltung
Anschluss
Hauptkontakt / Anschluss
Druckausgleichsöffnung
Gasströmungsrichtung
Hauptelektrode
Hilfselektrode
Isolationsstrecke
Einsatz oder Distanzstück tellerförmige Elektroden ha Iterung
Isolationsteil hochohmigere, elektrisch leitende Schicht
Isolierung für Triggerkontakt metallische, druckfeste Kapselung
Öffnung im Gasumlenkbereich einer Hauptelektrode /
Gasumlenkkanal
Nasenabschnitt ; 200 zylindrische Einzelsicherung
Verbindungszylinder
Stirnseite
Anschlusskappe a Lötfähnchen
Überzug
Gehäuse fü r Parallelverbu nd
Verdrahtungsträger erster Teil des Reihenverbunds
Schraubanschlusslasche
Anzeigeschieber
Funkenstreckengehäuse
Ausnehmung für Triggerkontaktierung muldenartige Ausnehmung
Anzeigefläche
Fortsatz
Fernmeldekontakt
Indikatorfläche

Claims

Patentansprüche
1. Funkenstreckenanordnung für höhere Bemessungsspannungen, wobei mindestens zwei gegenüberliegende Elektroden aufweisende Funkenstrecken in Reihe geschaltet sind und mindestens eine der Funkenstrecken aktiv, d. h. triggerbar ausgeführt ist, sowie mit einer Überstromschutzeinrichtung für den Einsatz als blitzstromtragfähiger Netzabieiter, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstrecken (1; 2) in einer druckfesten Kapselung (21) mit mindestens einer Druckausgleichsöffnung (6) befindlich sind und ein den Abstand der Hauptelektroden (8; 9) der passiven Funkenstrecke (2) überbrückender Einsatz (13) aus einem niederohmigen Material besteht, welches sich bei Strombelastung hinsichtlich der abfallenden Restspannung stark nichtlinear verhält, wobei die Überstromschutzeinrichtung eine Reihenschaltung aus mehreren Schmelzelementen enthält, welche einen geometrisch vorgegebenen, mechanischen und elektrischen Verbund bilden.
2. Funkenstreckenanordnung nach Anordnung 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstrecken (1; 2) jeweils einzeln, von einer druckfesten Kapselung (21) umgeben sind, wobei die Druckausgleichsöffnungen (6) voneinander weg weisend orientiert sind.
3. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstrecken (1; 2) von einem gemeinsamen, druckfesten Gehäuse (21) umgeben sind, welches die Druckausgleichsöffnungen (6) aufweist.
4. Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstrecken (1; 2) rotationssymmetrisch ausgeführt sind und sich die jeweiligen Hauptelektroden (8; 9) gegenüberliegen und jeweils eine der Hauptelektroden (8) einen Gasumlenkkanal (22) aufweist, weiterhin zwischen den sich gegenüberliegenden Hauptelektroden (8; 9) der mindestens einen passiven Funkenstrecke (2) der überbrückende niederohmige Einsatz (13) als rotationssymmetrisches Teil mit zylinderförmiger, den Lichtbogenbrennraum begrenzender Öffnung angeordnet ist, wobei die der Hauptelektrode mit Gasumlenkkanal (22) gegenüberliegende Hauptelektrode (9) einen Nasenabschnitt (23) aufweist, welcher in die zylinderförmige Öffnung, mit der Wandung dieser in Kontakt kommend, eintaucht.
5. Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das niederohmige Material des Einsatzes einen Kaltwiderstandswert von < 100 Ohm besitzt.
6. Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (13) eine bevorzugte Hohlzylinderform aufweist und mit einer Stirnseite vollflächig an der Hauptelektrode mit Gasumlenkkanal (22) anliegt.
7. Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bevorzugt hohlzylinderförmige Einsatz (13) mit jeweils einer seiner Stirnseiten vollflächig in Kontakt mit jeweils einer Hauptelektrode (8; 9) steht.
8. Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der l ichte Abstand zwischen den jeweiligen Hauptelektroden (8; 9) der Funkenstrecken im Bereich von mindestens 5 mm liegt.
9. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnungen (6) in axialer Richtung der rotationssymmetrischen Funkenstrecken orientiert sind .
10. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem rotationssymmetrischen Teil mit zylinderförmiger Öffnung und der Hauptelektrode mit Nasenabschnitt (23) ein Übergangsteil (16) vorgesehen ist, welches gegenüber dem Einsatz (13) einen höheren Widerstandswert aufweist und leitfähig ist.
11. Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (13) in radialer und/oder axialer Richtung in seiner geometrischen Gestalt zur Einstellung der Stromdichte variierbar ist.
12. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung von zwei Funkenstrecken in einer gemeinsamen druckfesten Kapselung (21) eine gemeinsame Mittel-Hauptelektrode (9) vorgesehen ist, welche eine Isolation gegenüber der Mantelkapselung (21) aufweist.
13. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnungen (6) axial und gegenüberliegend im Bereich der Außenkontaktierung der jeweiligen Hauptelektroden als Kanäle kleinen Querschnitts zum langsamen Druckabbau des bereits abgekü hlten Gases ausgeführt sind .
14. Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Triggerschaltung (3) auf die Triggerelektrode (10) der aktiven Funkenstrecke (1) und auf die elektrischen Endanschlusspunkte der Reihenschaltung führt.
15. Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung einen mechanischen und elektrischen Parallelverbund aus Schmelzelementen umfasst, wobei mindestens eines der Schmelzelemente des Parallelverbunds einen Schlagbolzen als mechanischen Auslöser aufweist.
16. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teil (900) des Reihenverbunds auf einer Seite eines Verdrahtungsträgers (800) und ein zweiter Teil des Reihenverbunds auf einer zweiten, der ersten gegenüberliegenden Seite des Verdrahtungsträgers (800) befindlich ist.
17. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil des Reihenverbunds mindestens zwei zylindrische Einzelsicherungen (100; 200) aufweist, welche durch einen leitfähigen Zylinder (300) an den Stirnseiten (400) und dort vorhandenen Anschlusskappen (500) mechanisch und elektrisch verbunden sind.
18. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbu nd aus zylindrischen Einzelsicherungen (100; 200) von einem isolierenden Schrumpfschlauch oder dergleichen Material (600) überzogen ist.
19. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil des Reihenverbunds den Parallelverbund umfasst, wobei der Parallelverbund überwiegend von einem Schutzgehäuse (700) umgeben ist.
20. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusskappen der Schmelzelemente des Parallelverbu nds elektrisch und mechanisch verbunden jeweils in einen Anschlussfortsatz übergehen, welche eine Montage auf dem Verdrahtungsträgers (800), insbesondere einer Leiterplatte ermöglichen.
21. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Einzelsicherungen (100; 200) Anschlusskappen (500) mit Lötfähnchen (500a) aufweisen.
22. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Einzelsicherungen (100; 200) bzw. Schmelzelemente durch einen leitfähigen, insbesondere metallischen, geometrisch angepassten Zylinder ersetzbar sind.
23. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrahtungsträger (800) eine langgestreckte, rechteckige Form mit an den Schmalseiten angebrachten Schraubanschlusslaschen (110) aufweist, wobei der erste Teil (900) des Reihenverbunds an einer Längsaußenkante, mit dieser im Wesentlichen seitlich abschließend, angeordnet ist.
24. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil des Reihenverbunds, den Parallelverbund enthaltend, im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse des ersten Teils (900) des Reihenverbunds auf dem Verdrahtungsträger (800) angeordnet ist.
25. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgehäuse (700) zur Längskante des Verdrahtungsträgers (800) offen ist, um einen Austritt des Schlagbolzens sowie eine Wirkverbindung zu einem federvorgespannten Anzeigeschieber (111) zu ermöglichen.
26. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgehäuse (700) an seiner vom Verdrahtungsträger (800) abgewandten Oberseite eine farblich gestaltete Indikatorfläche aufweist oder einen Indikatorflächenfortsatz besitzt.
27. Funkenstreckenanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrahtungsträger (800) auf der Oberseite eines Gehäuses (112) montierbar ist, wobei im Gehäuse (112) eine Funkenstreckenanordnung vorsehbar ist.
28. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstreckenanordnung in Reihenschaltung vorliegt.
29. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide Funkenstrecken der Anordnung triggerbar ist und die Triggerschaltung(en) sich auf dem Verdrahtungsträger (800) befindet(n).
30. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 26 und 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Fu nkenstreckengehäuse (112) an seiner Oberseite eine muldenartige Ausnehmung (114) besitzt, in welche der erste Teil des Reihenverbu nds eintaucht, um eine Schutz- und Isolationsfunktion zu bewirken .
31. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtanordnung von einer isolierenden Kappe umgeben ist.
32. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, gekennzeichnet durch einen modulartigen Aufbau mit ausgewählten Schmelzelementen für die Reihenschaltung, um eine leichte Anpassung an unterschiedliche Nennspannungen zu bewirken.
33. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Anzeigeschieber (111) eine Anzeigefläche (115) aufweist, welche eine farblich abweichende Indikatorfläche freigibt oder verdeckt.
34. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Anzeigeschieber (111) einen Fortsatz (116) aufweist, welcher sich in Längsrichtung über die Schmalseite des Verdrahtungsträgers (800) erstreckt, um dort mit einem Fernmeldekontakt (117) in Wirkverbindung zu treten.
35. Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung anstelle einer passiven Funkenstrecke eine weitere, zweite triggerbare Funkenstrecke umfasst.
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