WO2003019744A1 - Gekapselter, netzfolgestrom begrenzender überspannungsableiter auf funkenstreckenbasis - Google Patents

Gekapselter, netzfolgestrom begrenzender überspannungsableiter auf funkenstreckenbasis Download PDF

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WO2003019744A1
WO2003019744A1 PCT/EP2002/009232 EP0209232W WO03019744A1 WO 2003019744 A1 WO2003019744 A1 WO 2003019744A1 EP 0209232 W EP0209232 W EP 0209232W WO 03019744 A1 WO03019744 A1 WO 03019744A1
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WO
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arc
surge arrester
combustion chamber
expansion
expansion spaces
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PCT/EP2002/009232
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English (en)
French (fr)
Inventor
Arnd Ehrhardt
Peter Zahlmann
Michael Waffler
Stefan Hierl
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Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • H01T4/04—Housings

Definitions

  • the invention relates to an encapsulated surge arrester surge arrester based on spark gap for low-voltage applications with two main electrodes and with gas-emitting insulating parts, one of the main electrodes being at least part of the encapsulation and / or of the spark gap housing, according to the preamble of claim 1.
  • spark gaps have particular have for protection against direct lightning strike on a high surge current up to 25 kA and 10/350 are up to 25 kA interrupt automatically 'and the line follow currents occur in the region. Furthermore, such spark gaps should limit the line follow current so strongly during the arcing phase that upstream overcurrent protection devices do not switch off the power supply of the end user, with all the disadvantageous consequences that then arise.
  • An encapsulated spark gap with an optimized line follow current extinguishing capacity is known for example from DE 196 04 947 Cl.
  • a spark gap arrangement is described, which comprises two electrodes, which are arranged within a housing and, in addition, there is the possibility of providing an extinguishing gas.
  • To increase the follow-up current extinguishing capacity with none, or at least only with a small increase in volume To achieve an overall arrangement, a coordination of the size of the follow-up current to be deleted to the volume of the interior of the housing is proposed, the aim being to bring about a brief increase in the internal pressure of the housing to a multiple of the atmospheric pressure. The pressure increase in the interior containing the electrodes is produced by the arc of the follow-up current itself.
  • EP 0 860 918 B1 presents a drain on a spark gap basis, in which a second space is arranged after the actual spark gap, which is separated from the space of the spark gap by a plate with openings and in which baffle and cooling surfaces are present, as well as a blow-out opening is provided.
  • the design of the second room is intended to deflect and cool the hot gases so that they can escape without endangering the environment.
  • the blow-out tube spark gap according to DE-PS 897.444 works according to the so-called extinguishing tube principle, where a blow chamber connected in series is arranged to reduce the risk of blow-out, in which the heated gases are deflected and cooled before they leave the corresponding chamber.
  • the overvoltage protection device with improved network sequence estrom extinguishing capacity according to DE 100 08 764 AI is based on a concentric arrangement of a first spark plug and a second spark plug having first and second electrodes, air breakdown spark gaps being formed between the spark horns. In the construction there, the lowest possible overall height is to be achieved, namely in that the first spark plug is frustoconical and the second spark plug is arranged concentrically around the first spark plug.
  • PCT / EP99 / 06962 describes a spark gap-based surge conductor that can be completely encapsulated and whose function is based on the principle of hard gas generation.
  • the drain there has a cooling chamber which is large in relation to the combustion chamber and in which the generated and heated gases pass through a nozzle to control the mass flow rate.
  • the large cooling room is intended to hold the amount of gas generated and cool it down as quickly as possible.
  • DE 195 06 057 AI discloses an extinguishing spark gap arrangement in an encapsulated form, in which flow of the arc is achieved by pressure differences in the individual rooms and thus the blow-out rooms have a direct influence on the arc combustion chamber.
  • this is only achieved if the pressure in the combustion chamber is comparatively low and, in addition, quite large volumes of the cooling rooms are available.
  • the extinguishing capacity has increased
  • the active area of the spark gaps are followed by chambers for deflecting and cooling the gases, as is shown in the prior art, these chambers being the Blow out the temperature of the exhaust gases below a critical range.
  • the cooling chambers are to be completely closed, considerable volumes are required which go well beyond the actual volume of the active part of the drain, which runs counter to the general objective mentioned at the beginning.
  • the pressure drop between the active area and the cooling chambers can, however, only be maintained in the case of the drains according to the prior art by means of a comparatively large and complexly cooled blow-out space and, if appropriate, by means of nozzles, which are used for rapid gas relaxation, between the active area and the cooling chamber.
  • the aim of the cooling chambers is therefore only to achieve that the energy supplied to the gas is broken down as quickly as possible in order to ensure the necessary pressure drop between the arc chamber and the blow-out space during the entire follow-up current quenching.
  • considerable gas generation is required, which means that correspondingly large blow-out volumes or cooling chambers are necessary.
  • the build-up of pressure by the arc itself and by the hard gas in the pressure-resistant housing of the discharge pipe and, in addition, the radial flow through the arc in this area is used to limit the follow current.
  • the maintenance of the pressure difference necessary for the flow and the extension of the arc with follow current despite small dimensions and a low pressure reduction within the entire drain is achieved by the fact that at least one of the two electrodes includes two independent expansion spaces, in which there are alternately different pressures, which are caused by the Spark gap and in particular the arc itself are generated and controlled and their pressure difference to support the desired Rotational movement and blowing at least one arc approach is used.
  • the follow current limitation is designed in such a way that the maximum prospective short-circuit current that can be controlled by the spark gap is reduced to a twentieth or less of its peak value.
  • the encapsulation or the spark gap housing contrary to the prior art known to date, has an essentially elongated cuboid shape, an arc combustion chamber and at least two separate expansion spaces, each essentially extending over the entire cuboid height, being formed in the cuboid.
  • the expansion spaces are connected to the arc combustion chamber via channels and the chambers and the expansion spaces run essentially parallel to one another.
  • the arc combustion chamber is delimited in the head region by one of the main electrodes and by an insulating part and in the opposite foot region by an arcing attachment part which is connected to the further main electrode.
  • the channels extend laterally from the arc attachment part to the aforementioned expansion rooms.
  • the arc column which is formed between the head and foot area, ie between the main electrodes and the intended arc attachment part, executes a base point movement in the area of the arc attachment part.
  • This base point movement alternately closes one of the connecting channels to the expansion spaces, so that different pressure and flow conditions build up in each case.
  • a trigger electrode can be easily guided through the insulating part in the head region of the arc combustion chamber, so that the task is also fulfilled from this point of view.
  • the expansion spaces and the arc combustion chamber extend essentially over the entire height of the cuboid body.
  • the channels run essentially at right angles to the longitudinal axis of the combustion chamber or the expansion spaces.
  • the connecting channels can consist of a gas-emitting insulating material.
  • the cuboid or cuboid body has cavities which form the arc combustion chamber and the expansion spaces and the channels according to the invention.
  • one of the main electrodes can also have cavities which comprise at least the expansion spaces, the expansion spaces each having almost the same volume as the arc combustion chamber.
  • the cross section of the expansion rooms is essentially the same as that of the
  • the expansion spaces are oriented essentially opposite to the direction of flow within the arc combustion chamber.
  • the transition area between the arc combustion chamber and the respective channel can have an expansion in order to ensure that the gases flow into one or both of the expansion spaces even when the combustion chamber is completely filled by the arc or arc column.
  • the inside of the expansion spaces preferably have means for effective gas cooling. These means can include cooling plates, cooling plates or also surface structures, for example in the manner of knobs. It is also advantageous if the expansion spaces consist of copper or copper alloy material. Furthermore, the expansion rooms have ventilation openings with a small diameter or cross-section for gradual pressure equalization to the environment.
  • an arc combustion chamber manufactured as a separate component can be introduced into an encapsulation which contains the channels and the expansion spaces and forms the counterelectrode and the arc attachment part.
  • a semiconductor resistor with positive temperature coefficients i.e. a semiconductor resistor
  • a PTC element or PTC thermistor has a low resistance at low temperatures.
  • the electrical resistance of the PTC thermistor rises abruptly at the Curie temperature of the ferroelectric. Below the Curie temperature there is spontaneous polarization between the individual grains of the PTC thermistor material. This shields the negative grain boundary charge. This lowers the potential barriers between the grains at low temperatures below the Curie temperature.
  • the dielectric constant is significantly lower above the Curie temperatures than below. There is no ferroelectric order above and no spontaneous polarization. The shielding of the space charge zones becomes much more ineffective and the potential barriers increase. As a result, the resistance at the transition from low to high temperatures increases by three to six orders of magnitude.
  • the PTC resistor is relieved by the PTC thermistor connected between the auxiliary electrode or trigger electrode and the other main electrode.
  • the PTC thermistor takes over a larger part of the current with increasing load on the spark gap, which, as mentioned above, reduces the load within the spark gap itself and also extends the arc can be limited by reducing the pressure and the current forces.
  • there is a further advantage After a large part of the arc current has been taken over by the PTC thermistor, it heats up and its resistance increases. As a result, the follow current is reduced and the power consumption and thus the wear within the spark gap are reduced.
  • the PTC thermistor or the PTC element can make a significant contribution to the reduction and deletion of follow-up currents.
  • the proposed measure also has a very positive effect on the re-consolidation of the insulation section after the load. Due to the proposed partial parallel connection of the spark gap and the PTC thermistor, the risk of overloading the PTC thermistor is negligible, especially due to high surge currents.
  • the arc attachment part is insulated from the surrounding further main electrode and between the arc attachment part and the main electrode there is a semiconductor resistor with a positive temperature coefficient, i.e. a PTC element.
  • Another exemplary embodiment is also based on an insulated arrangement of the arc attachment part, in which case the PTC thermistor or the PTC element is connected to ground and the further main electrode also has ground potential.
  • the advantages mentioned above arise in the sense of loading the spark gap and reducing spark gap wear.
  • Figure 1 - a sectional view and a sectional plan view of a first
  • Figure 2 an arrangement similar to that of Figure 1 but with additional cooling plates or webs within the expansion rooms;
  • Combustion chambers and expansion rooms which are also partially connected to one another;
  • FIG 4 an embodiment of the surge arrester
  • Expansion rooms that extend from the arc attachment part both upwards and downwards, in the head and foot area;
  • FIG. 5 a surge arrester with two arc combustion chambers, each of which two expansion rooms are assigned, with the possibility of connecting the arc combustion chambers and
  • FIG. 6 a sectional view through an Abieiter, in which a prefabricated spark gap according to the hard gas principle can be screwed into an encapsulation which comprises at least expansion spaces.
  • the spark gap according to the figures, in particular FIG. 1 is based on a cuboid shape which is adapted to the usual dimensions of so-called row housings, the width and the height being chosen to be significantly greater than the depth.
  • the spark gap is in its simplest form, i.e. untriggered from the first main electrode 1, a first insulating part 2 and the second main electrode 3.
  • the main electrode 3 accommodates the arc combustion chamber 5 in the interior and two expansion spaces 6 extend from an arc attachment part 4 which is preferred in the event of a follow current load.
  • a trigger or auxiliary electrode 7 is integrated in the first insulating part 2.
  • the insulating part 2 emits extinguishing gas when exposed to temperature from the arc.
  • the arc ignites along the shortest separation gap 8 between the main electrodes 1 and 3.
  • the arc base moves on the inside of the arc chamber 5 due to the pressure difference that arises as a result of the arc ignition and the additional gas emission through the insulating part 2 and the consequent flow between the combustion chamber 5 and the expansion spaces 6 along the part 3 within the combustion chamber 5 for the preferred Arc approach area, ie to the arc attachment part 4.
  • the length achieved with the reference symbol 9, which corresponds to the distance between the main electrode 1 and the part 4, is equal to an arc length which is maintained over the almost entire arc duration.
  • the ability of the spark gap to limit, extinguish or even avoid line follow currents increases with the length of the arc, which can be achieved by modifying the length of the arc combustion chamber and with Time period but also the amount of gas emission and the type of gas, preferably hydrogen, ie the properties of the first insulating part 2.
  • Another variation is the possibility of reducing the cross section of the arc combustion chamber 5, which includes an increase in the intensity of the gas flow of the arc cooling and a pressure increase in of the combustion chamber, which can increase the arc voltage and thus also limit the follow current.
  • the spark gap is relieved by using a PTC thermistor 17.
  • the PTC thermistor 17 is connected between the trigger electrode 7 or an equivalent electrode and the arc attachment part 4.
  • the discharge of the spark gap is achieved as follows.
  • the arc is ignited between the main electrodes 1 and 3.
  • the arc voltage, the arc length, the pressure and the temperature within the spark gap are still low. This results in a comparatively low arc impedance.
  • the cold resistance of the PTC thermistor is comparatively high and the current through the PTC thermistor 17 is negligible.
  • the build-up of pressure and the lengthening of the arc increase the arc impedance.
  • the PTC thermistor 17 thus takes over a larger part of the current with increasing load on the spark gap, as a result of which the load within the spark gap itself is reduced and the lengthening of the arc can also be limited by reducing the pressure and the current forces.
  • FIG. 2b shows similar arrangements with a comparable mode of operation.
  • an insulation 16 is formed between the electrode 3 and the arc attachment part 4.
  • the PTC thermistor 17 is connected both to the main electrode 3 and to the insulated arc attachment part 4.
  • the arc attachment part 4 is also insulated from the main electrode 3 via the section 16.
  • the PTC thermistor 17 is connected on the one hand to the arc attachment part 4 and on the other hand is connected to a ground connection.
  • the main electrode 3 also leads to ground.
  • the length or the dimensions of the hard gas-emitting material are limited to a minimum, specifically in a range from diameter to length less than 1: 2.
  • the inner cross section of the insulating part 2 is preferably circular and has a radius of 1 to 5 mm.
  • hard gas-emitting insulating material 15 can also be introduced into the expansion spaces 6 and / or into the connecting channels 10.
  • the level of the surge currents through the spark gap cannot be reduced, since this is an impressed current, the entire cross section of the combustion channel is filled by the arc when the surge current is applied.
  • the level of the current, the pressure, the power conversion and the temperature of the plasma are a multiple of the values compared to the follow-up current.
  • a significantly larger and more heated amount of gas compared to the subsequent current load thus penetrates directly and suddenly into the expansion spaces.
  • hard gas is additionally produced by the parts 15 outside the combustion chamber.
  • a counterpressure is built up in relation to the combustion chamber within the short period of time, as a result of which an arc-extending flow comes to a standstill. As a result, the energy conversion in the event of surge currents within the arrester can be limited.
  • Suitable positioning, the specification of a certain quantity and the type of gas-emitting material within the channels 10 or the expansion spaces 6 can be used to control very well at which loads and temperatures additional gas is to be emitted.
  • the connecting channels 10 are also made of gas-emitting insulation material, there is a better separation of the Combustion chamber from the expansion rooms 6.
  • the expansion rooms 6 and also a part of the arrester housing can thus be insulated from the main electrode 3.
  • the power input into the gas and into the expansion chambers is significantly lower, so that the cooling capacity of the expansion chambers 6 is sufficient to prevent the release of hard gas, such as occurs during surge currents, within the expansion spaces 6 or the connecting channels 10.
  • the aforementioned independent expansion spaces 6, which e.g. can be arranged within the main electrode 3 used.
  • the at least two, ideally almost the same size expansion spaces are embedded in an electrode, which is at the same time an integral part of the housing or the encapsulation of the drain.
  • the expansion rooms have almost the same volume as the active area of the drain, namely the arc combustion chamber.
  • the expansion spaces 6 are connected to the arc combustion chamber at the level of the preferred arc base, namely at the arc attachment part, each with a channel 10, the cross section of which deviates only slightly from the cross section of the arc combustion chamber 5, in order to prevent unwanted pressure reflection and nozzle formation or but also to avoid nozzle clogging if the load is too low.
  • the channels 10 in two expansion rooms are in the same plane and face each other.
  • the expansion spaces are designed such that they preferably extend opposite to the flow direction within the arc combustion chamber 5. After the arc has been ignited, the arc is extended, as shown, by the rapidly arising overpressure along the main electrode 3 to the arc attachment part 4.
  • the heated gas flows into the expansion spaces 6 and, in contrast to known solutions, also very rapidly brings about a considerable pressure rise within these subspaces, which deviates only minimally from the pressure within the arc combustion chamber 5. This pressure in turn has an effect on the outflow behavior from the arc combustion chamber 5.
  • the specificity of the base point movement of arcs and furthermore the Take advantage of independent expansion chambers.
  • the arc base and thus also the arc moves continuously in the preferred area of part 4.
  • the gas supply from the arc combustion chamber 5 into the respective expansion space 6 is mutually interrupted or restricted to different extents. This now leads to the pressure being reduced due to the cooling of the gases within the closed expansion space compared to the other expansion chamber 6, in which an unrestricted gas supply continues and in particular with respect to the arc combustion chamber.
  • the inlet openings of the channels 10 between the arc combustion chamber 5 and the expansion spaces 6 can be widened or designed such that an outflow of the gases is ensured even when the arc combustion chamber is almost completely filled by the arc in the event of follow-up current loads.
  • the changing pressure conditions in the area of part 4 or the specificity of the arc foot point movement lead to the release of the respective outflow channel 10 into the room with reduced pressure.
  • the further or other expansion space is relieved or closed, as a result of which the pressure in it can now be reduced.
  • the different pressure between the expansion spaces 6 can also lead to a flow between the expansion spaces 6 themselves when the two (outflow) channels 10 are released for a short time, as a result of which the base point movement or the arc rotation in the region of part 4 is supported.
  • both the flow in the combustion channel and a continuous arc movement can be ensured in the range of up to over 100 bar despite extremely high pressures in the combustion chamber and the expansion rooms, thus preventing the channels from clogging up to the largest subsequent flows.
  • the pressure difference between the combustion chamber and the expansion spaces in the solution according to the exemplary embodiment is preferably only a few percent or bar.
  • the pressure in the expansion rooms corresponds to at least 50% of the mean pressure that prevails within the arc combustion chamber.
  • the dwell time is only a few microseconds due to the rapid movement of the base and the pressure difference must be maintained for several milliseconds in the case of follow-up flows, it is necessary to effectively increase the gases within the expansion rooms despite the small volume cool.
  • copper or its alloys is used as the material for this.
  • the surface of the expansion rooms can be increased by roughening, grooving, elevations, cooling plates or the like. The use of such materials with lower arc resistance becomes possible because the current-carrying part of the arc does not spread beyond the area near the part 4 into the expansion spaces of the main electrode 3, which is composed in this case.
  • the expansion spaces 6 have pressure equalization openings, not shown in the drawing, of small cross-section, which ensure gradual pressure equalization, thereby ensuring a reproducible response behavior of the spark gap after it has been loaded.
  • the spark gap according to the exemplary embodiment has low wear despite its high ability to limit follow current and a high surge current carrying capacity. A comparatively small amount of hard gas is required to generate a high combustion chamber pressure and a high arc voltage, as a result of which the burn-off of the gas-emitting insulating part 2 remains limited.
  • the first main electrode 1 is introduced into the second main electrode 3 in an insulated manner.
  • the insulated 2 is used for this.
  • the insulating part 2 consists of a material which emits hard gas under the influence of an arc. To shorten the rollover distance, the insulating part 2 can also consist of a layering of insulating parts and electrically semiconducting or conductive parts.
  • auxiliary electrode 7 which is used for the targeted external triggering of the conductor, can additionally be introduced inside the insulating part 2, insulated from the main electrodes 1 and 3.
  • the main electrode 3 contains the two expansion spaces 6 and the arc combustion chamber 5.
  • the electrode 3 can be completely off arc-resistant material, such as tungsten / copper, chrome / steel alloys, graphite or the like, or are only partially made of such a material in the combustion chamber 5 and in the area of part 4 for cost reasons.
  • the area of part 4 is raised in relation to the surrounding electrode area towards the head, ie towards the opposite main electrode 1.
  • hard gas-emitting material 15 can be arranged if necessary to limit the energy conversion in the event of surge currents.
  • FIG. 2 shows an arrangement similar to that shown in FIG. 1, but the expansion spaces 6 are provided with a selection of different options for attaching cooling plates 11 or webs 12.
  • the aim of these means is to create the largest possible ratio of surface area to volume of the heat sink with maximum volume utilization.
  • the sectional view of a surge arrester according to a further exemplary embodiment according to FIG. 4 discloses expansion spaces which refer to the arc attachment part 4 in the electrode both upwards and downwards, i.e. extend to the head and foot area.
  • expansion space is predominantly located only at the level of the arc base around the arc combustion chamber, e.g. extends in coaxial form or in segments.
  • FIG. 5 shows an arrester in which two arc combustion spaces correspond to two expansion spaces each.
  • the arc combustion chambers or arc combustion chambers 5.1 and 5.2 can be electrically connected.
  • the surge current carrying capacity (parallel connection) or the follow current limitation can also be carried out at higher voltages (Series connection) can be improved.
  • FIG. 5 shows only one example of a higher number of combustion chambers or arc combustion chambers, which should not be interpreted as limiting the inventive idea.
  • arrangements for a three-phase connection of the individual drain paths can also be implemented.
  • an arrester in which a prefabricated spark gap 13 is screwed into a likewise prefabricated or prefabricable housing 14 according to the hard gas principle.
  • This housing 14 comprises at least the expansion spaces 6 described and, in the example shown, also the arc attachment part 4 for the arc base.

Landscapes

  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Arc-Extinguishing Devices That Are Switches (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
  • Transmitters (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen gekapselten, Netzfolgestrom begrenzenden Überspannungsableiter auf Funkenstreckenbasis für Niederspannungsanwendungen mit zwei Hauptelektroden sowie mit bei Temperaturbelastung Gas abgebenden Isolierteilen, wobei eine der Hauptelektroden mindestens Teil der Kapselung und/oder des Funkenstreckengehäuses ist. Erfindungsgemäss besitzt die Kapselung oder das Funkenstreckengehäuse eine im Wesentlichen langgestreckte Quaderform, wobei im Quader eine Lichtbogenbrennkammer und mindestens zwei separate Expansionsräume, jeweils im Wesentlichen sich über die gesamte Quaderhöhe erstreckend, gebildet sind. Die Expansionsräume sind mit der Lichtbogenbrennkammer über Kanäle verbunden und die Kammer sowie die Expansionsräume verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Die Lichtbogenbrennkammer ist im Kopfbereich von einer der Hauptelektroden und von einem Isolierteil begrenzt und im gegenüberliegendem Fussbereich von einem Lichtbogenansatzteil gebildet, welches mit der weiteren Hauptelektrode elektrisch in Verbindung steht. Die Kanäle erstrecken sich seitlich vom Lichtbogenansatzteil hin zu den Expansionsräumen. In mindestens einem Kanal und/oder einem Expansionsraum können weitere, bei Lichtbogenzündung und Temperaturanstieg Gas abgebende, einen Gegendruck aufbauende Isolationsteile oder lsolationsabschnitte vorgesehen sein.

Description

Gekapselter, Netzfolgestrom begrenzender Überspannungsabieiter auf
Funkenstreckenbasis
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen gekapselten, Netzfolgestrom begrenzenden Überspannungsabieiter auf Funkenstreckenbasis für Niederspannungsanwendungen mit zwei Hauptelektroden sowie mit bei Temperaturbelastung gasabgebenden Isolierteilen, wobei eine der Hauptelektroden mindestens Teil der Kapselung und/oder des Funkenstreckengehäuses ist gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es ist bekannt, in Niederspannungsnetzen zum Schutz vor Überspannungen zwischen den N-L-Leitem Überspannungsabieiter auf der Basis von selbstlöschenden Funkenstrecken einzusetzen.
Diese Funkenstrecken müssen insbesondere zum Schutz bei direktem Blitzeinschlag über ein hohes Stoßstromableitvermögen bis ca. 25 kA 10/350 μs verfügen und sollen' auch die auftretenden Netzfolgeströme im Bereich bis zu 25 kA selbsttätig unterbrechen. Weiterhin sollen derartige Funkenstrecken während der Lichtbogenphase den Netzfolgestrom so stark begrenzen, dass durch vorgeordnete Überstromschutzgeräte keine Abschaltung der Stromversorgung des Endabnehmers mit allen dann anstehenden nachteiligen Folgen eintritt.
Aufgrund der Entwicklungen in den letzten Jahren besteht die Tendenz, die Funkenstrecken bei geringen Abmessungen gekapselt auszuführen, so dass keine heißen, elektrisch leitfähigen Gase oder auch Abbrandpartikel in die angrenzende Umgebung der Abieiter ausgeblasen werden.
Eine gekapselte Funkenstrecke mit einem optimierten Netzfolgestrom- Löschvermögen ist beispielsweise aus der DE 196 04 947 Cl bekannt. Dort ist eine Funkenstreckenanordnung beschrieben, die zwei Elektroden umfasst, welche innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind und wobei ergänzend die Möglichkeit besteht ein Löschgas vorzusehen. Um eine Steigerung des Folgestromlöschver- mögens bei keiner, zumindest aber nur bei einer geringen Volumenerhöhung der Gesamtanordnung zu erreichen, wird eine Abstimmung der Größe des zu löschenden Folgestromes auf das Volumen des Innenraumes des Gehäuses vorgeschlagen, wobei es darum geht, eine kurzzeitige Erhöhung des Innendruckes des Gehäuses auf ein Vielfaches des atmosphärischen Druckes zu bewirken. Die Druckerhöhung, in dem die Elektroden aufweisenden Innenraum, wird dabei durch den Lichtbogen des Folgestromes selbst produziert.
In der DE 198 17 063 AI wird ein Überspannungsschutzelement mit Lichtbogenwanderung offenbart, bei dem eine innere Elektrode in einer äußeren Elektrode angeordnet ist. Die innere Elektrode ragt mit einem Ende frei in die äußere Elektrode hinein, wobei der Querschnitt der inneren Elektrode zum freien Ende hin abnimmt und ein Lichtbogenabstand zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode zu dem freien Ende hin zunimmt. Konkret wird weiterhin gelehrt, dass es erwünscht ist, wenn derjenige Flächenbereich der inneren Elektrode, über den hin verteilt Lichtbögen entstehen, bei kompakten Bauvolumen vergrößert ist und ein schnelleres Wegwandern der entstandenen Lichtbögen veranlasst. Auch ist im dortigen, eine der Elektroden bildenden Teil des Gehäuses, eine Öffnung zum Druckausgleich vorgesehen. Die Anordnung selbst ist rotationssymmetrisch und weist eine Zylinderform auf.
In der EP 0 860 918 Bl wird ein Abieiter auf Funkenstreckenbasis vorgestellt, bei der der eigentlichen Funkenstrecke ein zweiter Raum nachgeordnet ist, der vom Raum der Funkenstrecke durch eine Platte mit Öffnungen getrennt wird und bei welchem Prall- und Kühlflächen vorhanden sind, sowie eine Ausblasöffnung vorgesehen ist. Mit der Ausgestaltung des zweiten Raumes soll eine Umlenkung und Kühlung der heißen Gase erfolgen, so dass diese ohne Gefährdung der Umgebung austreten können.
Die Ausblas-Röhrenfunkenstrecke nach DE-PS 897.444 arbeitet nach dem sogenannten Löschrohrprinzip, wo zur Verringerung der Gefährdung durch das Ausblasen eine in Reihe geschaltete Blaskammer angeordnet ist, in welcher die erhitzten Gase eine Umlenkung und eine Kühlung erfahren, bevor sie die entsprechende Kammer verlassen. Die Überspannungsschutzeinrichtung mit verbesserten Netzfolg estrom- Löschvermögen nach DE 100 08 764 AI geht von einer konzentrischen Anordnung von einem ersten Funkenhom und einem zweiten Funkenhom aufweisenden ersten und zweiten Elektrode aus, wobei zwischen den Funkenhörnern Luft-Durchschlag- Funkenstrecken gebildet werden. Bei der dortigen Konstruktion soll eine möglichst geringe Bauhöhe erreicht werden und zwar dadurch, dass das erste Funkenhom kegelstumpfförmig ausgebildet und das zweite Funkenhom konzentrisch um das erste Funkenhom herum angeordnet ist.
In der PCT/EP99/06962 wird ein Überspannungsleiter auf Funkenstreckenbasis beschrieben, der vollständig gekapselt aufgebaut werden kann und dessen Funktion auf dem Prinzip der Hartgaserzeugung beruht. Der dortige Abieiter weist einen im Verhältnis zum Brennraum großen Abkühlraum auf, in welchem die erzeugten und erhitzten Gase durch eine Düse zur Steuerung des Massendurchsatzes gelangen. Der große Abkühlraum soll hierbei die erzeugte Gasmenge aufnehmen und möglichst rasch abkühlen. Die Nachteile einer derartigen Anordnung bestehen darin, dass die aufgenommene Energie des Gases, welches in den Abkühlraum gelangt, nicht weiter zur Beeinflussung des Lichtbogenverhaltens genutzt wird, so dass der Lichtbogen bis in den Abkühlraum vordringen kann und das bei Überforderung des Kühlvermögens der Abkühlkammer keine Druckdifferenz zwischen Kühlraum und Trennraum verbleibt, wodurch die notwendige Beströmung des Lichtbogens, insbesondere bei vollständiger Kapselung zum Erliegen kommt. Die Folge ist, dass die Lichtbogenspannung schlagartig sinkt und somit die Begrenzung des Folgestromes unerwünscht reduziert wird. Zudem müssen zur Erzeugung einer hohen Bogenbrennspannung vergleichsweise große Mengen an Hartgas freigesetzt werden.
Im Gegensatz zu den bekannten .Ausblasräumen offenbart die DE 195 06 057 AI eine Löschfunkenstrecken-Anordnung in gekapselter Form, bei der durch Druckdifferenzen der einzelnen Räume eine Beströmung des Lichtbogens erreicht wird und somit die Ausblasräume direkt auf den Lichtbogenbrennraum Einfluss nehmen. Dies wird allerdings nur dann erreicht, wenn der Druck im Brennraum vergleichsweise gering ist und außerdem recht große Volumina der Abkühlräume zur Verfügung stehen. Ganz allgemein hat sich zur Steigerung des Löschvermögens bzw. auch zur
Folgestrombegrenzung bei Uberspannungsableitem die Beströmung des Lichtbogens mit Hartgas bewährt.
Um den Beblasungseffekt möglichst optimal zur Folgestromlöschung umsetzen zu können, wurden Abieiter mit diesen Funkenstrecken regelmäßig ausblasend ausgeführt.
Aufgrund der Tatsache, dass es notwendig ist, benachbarte Anlagenteile vor dem heißen und elektrisch leitenden Gasstrahl der Abieiter zu schützen, werden dem aktiven Bereich der Funkenstrecken Kammern zur Umlenkung und Abkühlung der Gase wie es der Stand der Technik zeigt, nachgeschaltet, wobei diese Kammern die Temperatur der ausgeblasenen Gase unter einen kritischen Bereich senken. In dem Fall, wenn die Abkühlkammern vollständig geschlossen sein sollen, sind beachtliche Volumina notwendig, die über das eigentliche Volumen des aktiven Teiles des Abieiters deutlich hinausgehen, was der Eingangs erwähnten generellen Zielstellung zuwiderläuft.
Der große Druckunterschied im Hoch- und Niederdruckteil der Funkenstrecke ist systembedingt erforderlich, da zur exakten Funktionsweise der Abieiter bei Folgestrom ein Druckgefälle zwischen dem aktiven Bereich und dem Ausblasbereich notwendig ist. Bei Wegfall des Druckgefälles und damit auch der Strömung wird die Effizienz der Lichtbogenkühlung deutlich reduziert. Dies führt unerwünscht zur Einschränkung der Leistungsfähigkeit des Abieiters.
Das Druckgefälle zwischen aktivem Bereich und Kühlkammern kann bei den Abieitern nach dem Stand der Technik jedoch nur durch einen vergleichsweise großen und aufwendig gekühlten Ausblasraum und gegebenenfalls durch Düsen, welche zur raschen Entspannung der Gase Verwendung finden, zwischen aktivem Bereich und Kühlkammer, aufrechterhalten werden. Ziel der Kühlkammern ist demnach nur, zu erreichen, dass die dem Gas zugeführte Energie möglichst schnell abgebaut wird, um so das notwendige Druckgefälle zwischen der Lichtbogenkammer und dem Ausblasraum während der gesamten Folgestromlöschung zu gewährleisten. Bei dem vorgenannten Lösungsansatz zum Erreichen der gewünschten Strombegrenzung ist eine beachtliche Gaserzeugung erforderlich, wodurch entsprechend große Ausblasvolumen bzw. Kühlkammern notwendig werden. Die Umsetzung der bisherigen Lösungsansätze wird bei geringen Abmessungen aber vergleichbaren Leistungsvermögen u.a. dadurch erschwert, das keine ausreichende Volumen für Ausblasräume bzw. Umlenk- und Abkühlräume zur Verfügung stehen. Des weiteren reduziert sich auch das Volumen zur Bereitstellung von Hartgas, welches zur Beströmung des Lichtbogens notwendig ist. Es stehen bei geringeren Volumen daher weniger Hartgasreserven zur Verfügung und das Abkühlvolumen der Ausblasräume ist begrenzt.
Bei einem hohen Hartgasverbrauch reduziert sich daher nicht nur die Lebensdauer des Abieiters, sondern es droht auch dessen Versagen bei einer Überlastung des Abkühlvermögens.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung einen weiterentwickelten gekapselten, Netzfolgestrom begrenzenden Überspannungsabieiter auf Funkenstreckenbasis für Niederspannungsanwendungen anzugeben, welcher über eine effektive Folgestrombegrenzung verfügt, der prinzipiell auch getriggert ausgeführt werden kann und der über ein geringes Gesamtvolumen sowie eine hohe Zuverlässigkeit verfügt.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Überspannungsabieiter mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
Erfindungsgemäß wird zur Folgestrombegrenzung der Druckaufbau durch den Lichtbogen selbst sowie durch das Hartgas in dem druckfesten Gehäuse des Abieiters und zusätzlich die radiale Beströmung des Lichtbogens in diesem Bereich genutzt. Die Aufrechterhaltung der für die Beströmung und die Verlängerung des Lichtbogens bei Folgestrom notwendigen Druckdifferenz trotz geringer Abmessungen und eines geringen Druckabbaus innerhalb des gesamten Abieiters erfolgt dadurch, dass mindestens eine der beiden Elektroden zwei unabhängige Expansionsräume einschließt, in denen abwechselnd unterschiedliche Drücke herrschen, welche durch die Funkenstrecke und insbesondere den Lichtbogen selbst erzeugt und gesteuert werden und deren Druckdifferenz zur Unterstützung der gewünschten Rotationsbewegung und -beblasung mindestens eines Lichtbogenansatzes genutzt wird.
Die Folgestrombegrenzung ist so gestaltet, dass bei den maximal durch die Funkenstrecke beherrschbaren prospektiven Kurzschlussstrom eine Reduzierung seines Scheitelwertes auf ein Zwanzigstel oder weniger erfolgt.
Demnach besitzt die Kapselung oder das Funkenstreckengehäuse entgegen dem bisher bekannten Stand der Technik eine im Wesentlichen langgestreckte Quaderform, wobei im Quader eine Lichtbogenbrennkammer und mindestens zwei separate Expansionsräume, jeweils im Wesentlichen sich über die gesamte Quaderhöhe erstreckend, gebildet sind.
Die Expansionsräume sind mit der Lichtbogenbrennkammer über Kanäle verbunden und es verlaufen die Kammern sowie die Expansionsräume im Wesentlichen parallel zueinander.
Die Lichtbogenbrennkammer ist im Kopfbereich von einer der Hauptelektroden und von einem Isolierteil begrenzt und im gegenüberliegenden Fußbereich von einem Lichtbogenansatzteil, welches mit der weiteren Hauptelektrode in Verbindung steht, gebildet. Die Kanäle erstrecken sich seitlich vom Lichtbogenansatzteil hin zu den vorerwähnten Expansionsräumen.
Im mindestens einem Kanal und/oder einem Expansionsraum können weitere, bei Lichtbogenzündung und Temperaturanstieg Gas abgebende, einen Gegendruck aufbauende Isolierteile oder Isolierabschnitte vorgesehen.
Die Lichtbogensäule, welche sich zwischen dem Kopf- und Fußbereich, d.h. zwischen den Hauptelektroden und dem vorgesehenen Lichtbogenansatzteil bildet, führt eine Fußpunktbewegung im Bereich des Lichtbogenansatzteiies aus. Diese Fußpunktbewegung verschließt abwechselnd einen der Verbindungskanäle zu den Expansionsräumen, so dass sich unterschiedliche Druck- und Strömungsverhäitnisse jeweils aufbauen. Durch das Isolierteil im Kopfbereich der Lichtbogenbrennkammer kann in leichter Weise eine Triggerelektrode geführt werden, so dass auch unter diesem Aspekt die Aufgabenstellung erfüllt ist.
Die Expansionsräume und die Lichtbogenbrennkammer erstrecken sich im Wesentlichen über die gesamte Höhe des quaderförmigen Körpers.
Die Kanäle verlaufen im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse der Brennkammer bzw. den Expansionsräumen. Weiterhin können die Verbindungskanäle aus einem gasabgebenden Isolierstoff bestehen.
Der Quader oder Quaderkörper weist Hohlräume auf, die die Lichtbogenbrennkammer und die Expansionsräume sowie die Kanäle erfindungsgemäß bilden.
Es kann aber auch eine der Hauptelektroden Hohlräume aufweisen, welche mindestens die Expansionsräume umfassen, wobei die Expansionsräume jeweils nahezu das gleiche Volumen wie die Lichtbogenbrennkammer besitzen.
Der Querschnitt der Expansionsräume ist im Wesentlichen gleich demjenigen der
Kanäle und der Lichtbogenbrennkammer. Die Expansionsräume sind im Wesentlichen entgegengesetzt der Strömungsrichtung innerhalb der Lichtbogenbrennkammer orientiert.
Ausgestaltend kann der Übergangsbereich zwischen Lichtbogenbrennkammer und dem jeweiligen Kanal eine Aufweitung besitzen, um auch bei vollständiger Ausfüllung des Brennraumes durch den Lichtbogen bzw. Lichtbogensäule ein Abströmen der Gase hinein in einen oder beide der Expansionsräume zu gewährleisten.
Bevorzugt besitzen die Innenseiten der Expansionsräume Mittel zur effektiven Gaskühlung. Diese Mittel können Kühlplatten, Kühlbleche oder aber auch Oberflächenstrukturen, z.B. nach Art von Noppen umfassen. Auch ist es von Vorteil, wenn die Expansionsräume aus Kupfer- oder Kupferlegierungsmaterial bestehen. Weiterhin verfügen die Expansionsräume über Entlüftungsöffnungen mit einem kleinen Durchmesser oder Querschnitt zum allmählichen Druckausgleich zur Umgebung hin.
Es besteht bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Möglichkeit in der Kapselung mehrere, elektrisch verschaltbare Lichtbogenbrennkammern mit jeweils zugeordneten Kanälen und Expansionsräumen auszubilden.
Ebenso kann eine Lichtbogenbrennkammer als separates Bauteil gefertigt in eine Kapselung eingebracht werden, welche die Kanäle sowie die Expansionsräume enthält und die Gegenelektrode sowie das Lichtbogenansatzteil bildet.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der weiteren Hauptelektrode oder dem Lichtbogenansatzteil und der Triggerelektrode bzw. einer hierzu äquivalenten Elektrode ein Halbleiterwiderstand mit positiven Temperaturkoeffizienten, d.h. ein PTC-Element geschalten. Ein PTC-Element oder Kaltleiter besitzt bei niedrigen Temperaturen einen geringen Widerstand. Der elektrische Widerstand des Kaltleiters steigt bei der Curie-Temperatur des Ferroelektrikums abrupt an. Unterhalb der Curie-Temperatur herrscht zwischen den einzelnen Körnern des Kaltleitermaterials spontane Polarisation vor. Die negative Korngrenzenladung wird hierdurch abgeschirmt. Damit verringern sich bei tiefen Temperaturen unterhalb der Curie-Temperatur die Potentialbarierren zwischen den Körnern. Oberhalb der Curie-Temperaturen ist die Dielektrizitätszahl wesentlich geringer als unterhalb. Oberhalb existiert keine ferroelektrische Ordnung und keine spontane Polarisation. Die Abschirmung der Raumladungszonen wird wesentlich ineffektiver und die Potentialbarierren steigen. In Folge dessen erhöht sich auch der Widerstand beim Übergang von tiefen zu hohen Temperaturen um drei bis sechs Größenordnungen.
Durch den zwischen Hilfselektrode oder Triggerelektrode und der weiteren Hauptelektrode angeschlossenen Kaltleiter findet eine Entlastung der Funkenstrecke statt. Der Kaltleiter übernimmt bei zunehmender Belastung der Funkenstrecke einen größeren Teil des Stromes, wodurch wie vorerwähnt die Belastung innerhalb der Funkenstrecke selbst reduziert wird und auch die Verlängerung des Lichtbogens durch Reduzierung des Druckes und der Stromkräfte begrenzbar ist. Bei landandauernden Entladungen, z.B. auch bei Netzfolgeströmen ergibt sich ein weiterer Vorteil. Nachdem ein Großteil des Lichtbogenstromes durch den Kaltleiter übernommen wurde, erwärmt sich dieser und es steigt sein Widerstand. Hierdurch wird der Folgestrom reduziert und der Leistungsumsatz und damit der Verschleiß innerhalb der Funkenstrecke gesenkt. Es kann also auf diesem Wege der Kaltleiter bzw. das PTC-Element einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung und Löschung von Folgeströmen leisten. Auch wirkt sich die vorgeschlagene Maßnahme sehr positiv auf die Wiederverfestigung der Isolationsstrecke nach dem Belastungsfall aus. Durch die vorgeschlagene partielle Parallelschaltung von Funkenstrecke und Kaltleiter ist die Gefahr der Überlastung des Kaltleiters, insbesondere durch hohe Stoßströme vemachlässigbar.
In einer Alternative ist das Lichtbogenansatzteil gegenüber der umgebenden weiteren Hauptelektrode isoliert und zwischen Lichtbogenansatzteil und Hauptelektrode befindet sich ein Halbleiterwiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, d.h. ein PTC-Element.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel geht ebenso von einer isolierten Anordnung des Lichtbogenansatzteiles aus, wobei hier der Kaltleiter bzw. das PTC-Element gegen Masse geschalten ist und die weitere Hauptelektrode ebenfalls Massepotential führt. Auch bei diesen Ausführungsformen treten die oben genannten Vorteile im Sinne einer Belastung der Funkenstrecke und einer Reduktion des Funkenstreckenverschleißes ein.
Es liegt im Sinne der Erfindung, dass anstelle eines Kaltleiters auch andere nichtlineare Impedanzen verwendet werden können. Denkbar sind hier Induktivitäten, Varistoren oder aber auch Reihenschaltungen aus Gasableitern und Varistoren. Allerdings kann bei einem Kaltleiter die Übernahme eines beachtlichen Teilstromes wesentlich einfacher und bei vergleichsweise geringeren Lichtbogenimpedanzen erfolgen. Zum anderen ist die Gefahr der Überlastung des Kaltleiters aufgrund der Selbstschutzfunktion dieses Elementes äußerst gering. Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Figur 1 - eine Schnittdarstellung und eine Schnittdraufsicht einer ersten
Ausführungsform des Überspannungsabieiters in quaderförmiger Gestalt;
Figur 2 - eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Figur 1 jedoch mit zusätzlichen Kühlplatten oder -Stegen innerhalb der Expansionsräume;
Figur 2a - 2c eine Ausführungsform mit partieller Parallelschaltung von Funkenstrecke und einem Kaltleiter;
Figur 3 - eine Ausführungsform mit verschiedenen Anordnungen von
Brennkammern und Expansionsräumen, die auch teilweise miteinander bzw. untereinander verbunden sind;
Figur 4 - eine Ausführungsform des Überspannungsabieiters mit
Expansionsräumen, die sich ausgehend vom Lichtbogenansatzteil sowohl nach oben als auch nach unten, in den Kopf- und Fußbereich erstrecken;
Figur 5 - einen Überspannungsabieiter mit zwei Lichtbogenbrennräumen, denen jeweils zwei Expansionsräume zugeordnet sind, wobei die Möglichkeit der Verschaltung der Lichtbogenbrennräume besteht und
Figur 6 - eine Schnittdarstellung durch einen Abieiter, bei dem eine vorgefertigte Funkenstrecke nach dem Hartgasprinzip in eine Kapselung einschraubbar ist, welche mindestens Expansionsräume umfasst. Bei der Funkenstrecke nach den Figuren, insbesondere Figur 1 wird von einer Quaderform ausgegangen, die an die üblichen Abmessungen von sogenannten Reihengehäusen angepasst ist, wobei die Breite und die Höhe deutlich größer als die Tiefe gewählt wird.
Die Funkenstrecke besteht in ihrer einfachsten Ausführungsform, d.h. ungetriggert aus der ersten Hauptelektrode 1, einem ersten Isolierteil 2 und der zweiten Hauptelektrode 3.
Die Hauptelektrode 3 nimmt im Inneren die Lichtbogenbrennkammer 5 auf und es erstrecken sich zwei Expansionsräume 6 ausgehend von einem bei Folgestrombelastung bevorzugten Lichtbogenansatzteil 4.
Bei einer triggerfähigen Ausführungsform ist eine Trigger- oder Hilfselektrode 7 in das erste Isolierteil 2 integriert. Das Isolierteil 2 gibt bei Temperaturbelastung durch den Lichtbogen Löschgas ab.
Nach Überschlag der Isolationsstrecke am Isolierteil 2 zündet der Lichtbogen entlang der kürzesten Trennstrecke 8 zwischen den Hauptelektroden 1 und 3.
Danach bewegt sich der Lichtbogenfußpunkt auf der Innenseite der Lichtbogenkammer 5 durch die in Folge der Lichtbogenzündung und der zusätzlichen Gasabgabe durch das Isolierteil 2 entstehenden Druckdifferenz und der damit einsetzenden Strömung zwischen der Brennkammer 5 und den Expansionsräumen 6 entlang des Teiles 3 innerhalb der Brennkammer 5 zum bevorzugten Lichtbogenansatzbereich, d.h. zum Lichtbogenansatzteil 4 hin.
Die mit dem Bezugszeichen 9 erreichte Länge, die dem Abstand der Hauptelektrode 1 zum Teil 4 entspricht, ist gleich einer Lichtbogenlänge, die über die nahezu gesamte Lichtbogendauer beibehalten wird.
Das Vermögen der Funkenstrecke zur Begrenzung, Löschung oder sogar zur Vermeidung von Netzfolgeströmen steigt mit der Länge des Lichtbogens, die mit der Modifikation der Länge der Lichtbogenbrennkammer erreicht werden kann sowie mit Zeitdauer aber auch der Menge der Gasabgabe und der Gasart, bevorzugt Wasserstoff, d.h. den Eigenschaften des ersten Isolierteiles 2. Eine weitere Varianz ist die Möglichkeit der Reduzierung des Querschnittes der Lichtbogenbrennkammer 5, die u.a. eine Erhöhung der Intensität der Gasströmung der Lichtbogenkühlung und eine Druckerhöhung in der Brennkammer nach sich zieht, wodurch eine Erhöhung der Lichtbogenspannung und somit auch der Folgestrombegrenzung erreicht werden kann.
Bei der Ausführungsform nach Figur 2a wird eine Entlastung der Funkenstrecke über den Einsatz eines Kaltleiters 17 realisiert.
Der Kaltleiter 17 ist zwischen Triggerelektrode 7 bzw. einer äquivalenten Elektrode und dem Lichtbogenansatzteil 4 geschalten. Die Entlastung der Funkenstrecke wird hierbei folgendermaßen erreicht. Der Lichtbogen wird zwischen den Hauptelektroden 1 und 3 gezündet. Zu diesem Zeitpunkt ist die Lichtbogenspannung, die Lichtbogenlänge, der Druck und die Temperatur innerhalb der Funkenstrecke noch gering. Hieraus ergibt sich eine vergleichsweise niedrige Lichtbogenimpedanz. Demgegenüber ist der Kaltwiderstand des Kaltleiters vergleichsweise hoch und der Strom durch den Kaltleiter 17 vernachlässigbar. Durch den Druckaufbau und die Verlängerung des Lichtbogens steigt die Lichtbogenimpedanz. Der Kaltleiter 17 übernimmt somit bei zunehmender Belastung der Funkenstrecke einen größeren Teil des Stromes, wodurch die Belastung innerhalb der Funkenstrecke selbst reduziert wird und auch die Verlängerung des Lichtbogens durch Reduzierung des Druckes und der Stromkräfte begrenzt werden kann.
Bei langandauernden Entladungen, z.B. auch mit Folgeströmen kommt es zu einer Übernahme eines Großteiles des Lichtbogenstromes durch den Kaltleiter, wodurch sich dieser erwärmt und selbsttätig seinen Widerstand erhöht. Hierdurch wird der Folgestrom reduziert und der Leistungsumsatz und somit der Verschleiß innerhalb der Funkenstrecke gesenkt. Es kann also der Kaltieiter 17 einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung und Löschung von Folgeströmen leisten. Darüber hinaus wirkt sich diese Ausführungsform auch sehr positiv auf die Wiederverfestigung der Isolationsstrecke nach Belastung aus. Durch die partielle Parallelschaltung von Funkenstrecke und Kaltleiter 17 ist die Gefahr der Überlastung des Kaltleiters 17, insbesondere durch hohe Stoßströme vernachlässigbar.
Die Figuren 2b und 2c zeigen ähnliche Anordnungen mit einer vergleichbaren Funktionsweise. Hier ist jedoch zwischen der Elektrode 3 und dem Lichtbogenansatzteil 4 eine Isolation 16 ausgebildet. Gemäß Figur 2b ist der Kaltleiter 17 sowohl an der Hauptelektrode 3 als auch am isolierten Lichtbogenansatzteil 4 angeschlossen.
Bei der Ausführungsform nach Figur 2c ist das Lichtbogenansatzteil 4 ebenfalls über den Abschnitt 16 isoliert zur Hauptelektrode 3. Der Kaltleiter 17 ist einerseits am Lichtbogenansatzteil 4 angeschlossen und steht andererseits mit einem Masseanschluss in Verbindung. Ebenso führt die Hauptelektrode 3 auf Masse.
Aufgrund der hohen thermischen Belastungen und der hohen Drücke ist es zweckmäßig zum Schutz der Funkenstrecke und insbesondere der Expansionsräume 6 vor direkter und langandauernder Lichtbogeneinwirkung eine zusätzliche Reduzierung des Energieumsatzes innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 anzustreben, was mit den Lösungsansätzen gemäß der Figuren 2a bis 2c in überraschend einfacher Weise gelingt.
Allerdings ist es nicht wünschenswert den Querschnitt der Lichtbogenbrennkammer 5 weiter zu reduzieren, da hiermit eine Verschlechterung der Stoßstromtragfähigkeit einhergeht.
Aufgrund der geringen Abmessungen der Lichtbogenkammer und der Expansionsräume, sowie der angestrebten hohen Lebensdauer ist es sinnvoll die erzeugte Gasmenge bei der erfindungsgemäßen Funkenstrecke zu minimieren. Hierzu wird die Länge bzw. werden die Abmessungen des hartgasabgebenden Materials, vorzugsweise POM, auf ein Minimum begrenzt und zwar in einem Bereich von Durchmesser zu Länge kleiner 1:2. Der innere Querschnitt des Isolierteiles 2 wird bevorzugt kreisförmig gestaltet und besitzt einen Radius von 1 bis 5 mm. Hierdurch wird sowohl die entstehende Gasmenge bei Folgestrom als auch bei Stoßströmen reduziert.
Um eine Verlängerung des Lichtbogens und damit einen hohen Leistungsumsatz bei Stoßströmen zu verhindern, ist es notwendig die Druckdifferenz und damit die Strömung zwischen der Lichtbogenbrennkammer 5 und den Expansionsräumen 6 zu reduzieren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in die Expansionsräume 6 und/oder in die Verbindungskanäle 10 ebenfalls hartgasabgebendes Isoliermaterial 15 eingebracht werden kann.
Da die Höhe der Stoßströme durch die Funkenstrecke nicht reduziert werden kann, da es sich hier um einen eingeprägten Strom handelt, wird bei Stoßstrombelastung der gesamte Querschnitt des Brennkanals vom Lichtbogen ausgefüllt. Die Höhe des Stromes, des Druckes, des Leistungsumsatzes und die Temperatur des Plasmas betragen ein Vielfaches der Werte im Vergleich zum Folgestrom. Eine gegenüber der Folgestrombelastung deutlich größere und stärker erhitzte Gasmenge dringt somit direkt und schlagartig in die Expansionsräume ein. Als Folge hiervon wird zusätzlich Hartgas durch die Teile 15 außerhalb der Brennkammer produziert. Da das Volumen der Expansionsräume ohnehin erfindungsgemäß gering ist, wird innerhalb der kurzen Zeitdauer gegenüber der Brennkammer ein Gegendruck aufgebaut, wodurch eine lichtbogenverlängernde Strömung zum Erliegen kommt. Hierdurch kann der Energieumsatz bei Stoßströmen innerhalb des Abieiters begrenzt werden.
Durch geeignete Positionierung, die Vorgabe einer bestimmten Menge und die Art des gasabgebenden Materials innerhalb der Kanäle 10 bzw. der Expansionsräume 6 kann sehr gut gesteuert werden, bei welchen Belastungen und Temperaturen zusätzlich Gas abzugeben ist.
Je näher das Hartgas abgebende Material 15 der Lichtbogenbrennkammer 5 positioniert ist und je niedriger die Temperatur ist, bei welcher das Material zu Gasen beginnt, desto niedriger sind die Belastungen, bei denen zusätzliches Gas außerhalb des Brennraumes frei wird.
In dem Falle, wenn die Verbindungskanäle 10 auch aus Gas abgebenden Isolationsmaterial hergestellt sind, ergibt sich eine bessere Abtrennung des Brennraumes von den Expansionsräumen 6. Bei einer weiteren Ausführungsform können somit die Expansionsräume 6 und auch ein Teil des Ableitergehäuses gegenüber der Hauptelektrode 3 isoliert werden.
Bei Netzfolgeströmen ist der Leistungseintrag in das Gas und in die Expansionskammern deutlich geringer, so dass das Kühlvermögen der Expansionskammern 6 ausreicht, um eine Abgabe von Hartgas, wie sie bei Stoßströmen auftritt, innerhalb der Expansionsräume 6 bzw. der Verbindungskanäle 10 zu unterbinden.
Die bei Stoßströmen positiven Auswirkungen der Verkürzung bzw. Begrenzung der Lichtbogenlänge und damit des Energieumsatzes würden jedoch bei Folgestrom zu einem weniger stark beströmten und gekühlten Lichtbogen führen. Ein verschlechtertes Folgestromlöschvermögen wäre die unmittelbare Folge. Die Verlängerung des Lichtbogens zur Kompensation ist bei wünschenswert reduzierten Abmessungen ebenfalls nur begrenzt möglich. Um dennoch das angestrebte starke strombegrenzende Löschvermögen zu erreichen, muss die Lichtbogenbrennspannung durch einen stärkeren und rascheren Druckaufbau innerhalb der Brennkammer erhöht werden. Dies ist jedoch in einfacher Weise durch ein geringeres Volumen der Brennkammer und der Expansionsräume realisierbar.
Dies und das relativ geringe zur Verfügung stehende Volumen der Funkenstrecken insbesondere der Expansionsräume 6 sowie die Vermeidung der Abgabe von heißen ionisierten Gasen und damit einem Großteil an Energien durch die angestrebte Kapselung führen dazu, dass durch eine zu starke Druckangleichung zwischen Brennkammer und Expansionsraum und eventuell auch unterstützt durch Druckreflektion, die zur Kühlung 'und Verlängerung des Lichtbogens notwendige Gasströmung sehr stark unterbunden wird oder völlig zum Erliegen kommt. Dies führt dann durch mangelnde Kühlung, durch Reduzierung der Lichtbogenlänge oder durch Festbrennen des Lichtbogens zur Senkung der Bogenbrennspannung und damit zum möglichen Versagen der Funkenstrecke.
Um derartige Folgen zu vermeiden, ist es selbst bei extrem geringen Volumen und hohen Drücken innerhalb der Funkenstrecken notwendig, bei Folgestrom eine so hohe Druckdifferenz zwischen Brennraum und Expansionsraum zu gewährleisten, dass eine kontinuierliche Beströmung des Lichtbogens realisiert wird.
Zum o. g. Ziel werden erfindungsgemäß die erwähnten unabhängigen Expansionsräume 6, die z.B. innerhalb der Hauptelektrode 3 anordenbar sind, genutzt. Damit eine für die Verlängerung und Kühlung notwendige Gasströmung unter den vorgenannten Bedingungen aufrecht erhalten werden kann, werden die mindestens zwei, im Idealfall nahezu gleichgroßen Expansionsräume in eine Elektrode eingebettet, welche gleichzeitig wesentlicher Bestandteil des Gehäuses oder der Kapselung des Abieiters ist. Die Expansionsräume haben nahezu das gleiche Volumen wie der aktive Bereich des Abieiters, nämlich die Lichtbogenbrennkammer. Innerhalb der Expansionsräume erfolgt in der bevorzugten Ausführungsform nach Figur 1 keine nennenswerte Aufweitung oder Reduzierung des Querschnittes gegenüber den Kanälen 10 und hin zum Lichtbogenbrennraum bzw. der Brennkammer 5. Das heißt, auch der Querschnitt der Expansionsräume entspricht in etwa demjenigen der Lichtbogenbrennkammer 5.
Es sind hier allerdings auch Ausgestaltungsvarianten denkbar, bei denen eine ausschließliche Reduzierung des Querschnittes der Lichtbogenbrennkammer 5 zur drastischen Folgestrombegrenzung bzw. -Vermeidung angestrebt wird oder auch bei einer höheren Anzahl von Expansionsräumen besteht die Möglichkeit das Verhältnis der Volumina und der Querschnitte der Lichtbogenbrennkammer 5 zu den Expansionsräumen 6 anders zu gestalten, z.B. höher als 2 jedoch kleiner als 20.
Wie in der Figur 1 erkennbar, sind die Expansionsräume 6 mit der Lichtbogenbrennkammer auf der Ebene des bevorzugten Lichtbogenfußpunktes, nämlich am Lichtbogenansatzteil' mit jeweils einem Kanal 10 verbunden, dessen Querschnitt nur gering vom Querschnitt der Lichtbogenbrennkammer 5 abweicht, um eine ungewollte Druckreflektion und Düsenbildung oder aber auch eine Düsenverstopfung bei zu geringer Belastung zu vermeiden. Die Kanäle 10 bei zwei Expansionsräumen befinden sich in der gleichen Ebene und liegen einander gegenüber. Weiterhin sind die Expansionsräume so gestaltet, dass sie sich bevorzugt entgegengesetzt zur Strömungsrichtung innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 erstrecken. Nach der Zündung des Lichtbogens wird, wie dargestellt, durch den rasch entstehenden Überdruck der Lichtbogen entlang der Hauptelektrode 3 bis hin zum Lichtbogenansatzteil 4 verlängert. Das erhitzte Gas strömt in die Expansionsräume 6 und bewirkt im Gegensatz zu bekannten Lösungen sehr rasch auch einen beachtlichen Druckanstieg innerhalb dieser Teilräume, welcher nur noch minimal vom Druck innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 abweicht. Dieser Druck wirkt nun wiederum auf das Abströmverhalten aus der Lichtbogenbrennkammer 5 zurück. Um einen vollständigen Druckausgleich, durch welchen wie oben gezeigt, die notwendige Gasströmung zum Erliegen kommt und wodurch die Funkenstrecke infolge der damit verbundenen drastischen Reduzierung der Bogenbrennspannung ihr Vermögen zur Strombegrenzung nahezu verlieren würde, zu vermeiden, wird die Spezifik der Fußpunktbewegung von Lichtbögen und weiterhin die Vorteile der unabhängigen Expansionskammern genutzt.
Der Lichtbogenfußpunkt und somit auch der Lichtbogen bewegt sich kontinuierlich im bevorzugten Bereich des Teiles 4. Hierdurch ergibt sich das prinzipielle Verhalten, dass bei den gewählten geringen Durchmessern der Kanäle 10 von wenigen Millimetern diese wechselseitig durch die Bogensäule bei Netzfolgeströmen vollständig bzw. teilweise verschlossen werden. Hierdurch wird die Gaszufuhr aus der Lichtbogenbrennkammer 5 in den jeweiligen Expansionsraum 6 wechselseitig unterbrochen bzw. unterschiedlich stark eingeschränkt. Dies führt nun dazu, dass sich der Druck durch die Abkühlung der Gase innerhalb des verschlossenen Expansionsraumes gegenüber der anderen Expansionskammer 6, in welcher weiterhin eine uneingeschränkte Gaszufuhr erfolgt und insbesondere gegenüber der Lichtbogenbrennkammer reduziert.
Zur Unterstützung des unterschiedlichen Einströmverhaltens der Kammern können die Einlassöffnungen der Kanäle 10 zwischen Lichtbogenbrennkammer 5 und den Expansionsräumen 6 so aufgeweitet oder ausgestaltet werden, dass ein Abströmen der Gase auch bei nahezu vollständiger Ausfüllung der Lichtbogenbrennkammer durch den Lichtbogen bei Folgestrombelastungen gewährleistet bleibt. Die wechselnden Druckverhältnisse im Bereich des Teiles 4 bzw. die Spezifik der Lichtbogenfußpunktbewegung führen zur Freigabe des jeweiligen Abströmkanals 10 in den Raum mit reduzierten Druck. Hierdurch wird der weitere oder andere Expansionsraum entlastet bzw. verschlossen, wodurch sich nun in diesem der Druck reduzieren kann. Der unterschiedliche Druck zwischen den Expansionsräumen 6 kann bei einer kurzzeitigen Freigabe beider (Abström)Kanäle 10 auch zu einer Strömung zwischen den Expansionsräumen 6 selbst führen, wodurch die Fußpunktbewegung bzw. die Lichtbogenrotation im Bereich des Teiles 4 unterstützt ist.
Durch die wechselnden Druckverhältnisse in den Expansionsräumen kann sowohl die Strömung im Brennkanal als auch eine kontinuierliche Bogenbewegung trotz extrem hoher Drücke in der Brennkammer und den Expansionsräumen im Bereich von bis über 100 bar sichergestellt werden und somit bis zu größten Folgeströmen eine Verstopfung der Kanäle vermieden werden. Die Druckdifferenz zwischen Brennraum und den Expansionsräumen beträgt bei der Lösung nach Ausführungsbeispiel bevorzugt nur wenige Prozent bzw. bar. Der Druck in den Expansionsräumen entspricht jedoch mindestens 50 % des mittleren Druckes, welcher innerhalb, der Lichtbogenbrennkammer herrscht.
Damit wird gewährleistet, dass die unabhängigen Expansionsräume 6 über unterschiedliche Drücke verfügen und das deren Druck trotz ihrer geringen Größe stets unterhalb des Druckes innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 liegt, wodurch sichergestellt ist, dass eine kontinuierliche Strömung und damit das Funktionsprinzip der Funkenstrecke für die Netzfolgestromunterbrechung aufrecht erhalten werden kann.
Da die Zeitdauer für die Abkühlung der Gase in den Expansionsräumen, d.h. die Verweilzeit nur wenige Mikrosekunden aufgrund der schnellen Fußpunktbewegung beträgt und die Druckdifferenz für mehrere Millisekunden bei Folgeströmen aufrechterhalten werden muss, ist es notwendig, die Gase innerhalb der Expansionsräume trotz des geringen Volumens effektiv zu kühlen. Als Material hierfür wird insbesondere Kupfer oder dessen Legierungen eingesetzt. Zusätzlich kann die Oberfläche der Expansionsräume durch Aufrauhung, Rillen, Erhebungen, Kühlplatten o.a. vergrößert werden. Der Einsatz derartiger Materialien mit geringerer Lichtbogenresistenz wird möglich, da der stromführende Teil des Lichtbogens sich nicht über den Bereich in der Nähe des Teiles 4 hinaus in die Expansionsräume der in diesem Fall zusammengesetzten Hauptelektrode 3 ausbreitet.
Die Expansionsräume 6 weisen zeichnerisch nicht dargestellte Druckausgleichsöffnungen kleinen Querschnittes auf, die für einen allmählichen Druckausgleich Sorge tragen, wodurch ein reproduzierbares Ansprechverhalten der Funkenstrecke nach deren Belastung gewährleistet ist.
Die Funkenstrecke gemäß Ausführungsbeispiel verfügt trotz ihres hohen Vermögens zur Folgestrombegrenzung und einer hohen Stoßstromtragfähigkeit über einen geringen Verschleiß. Es wird eine vergleichsweise geringe Menge an Hartgas zur Erzeugung eines hohen Brennraumdruckes und einer hohen Lichtbogenspannung benötigt, wodurch der Abbrand des gasabgebenden Isolierteiles 2 begrenzt bleibt.
Die verstärkte Beströmung und damit Bewegung des Lichtbogens aufgrund der Druckdifferenzen innerhalb aller Räume führt zu einem geringerem Abbrand in der Lichtbogenbrennkammer 5 (Hauptelektrode 1, 3; Isolierteil 2) aber auch im Bereich des Lichtbogenansatzteiles 4.
Gemäß Figur 1 wird die erste Hauptelektrode 1 in die zweite Hauptelektrode 3 isoliert eingebracht. Hierfür findet das Isolierten 2 Verwendung. Das Isolierteil 2 besteht aus einem Material, welches unter Lichtbogeneinwirkung Hartgas abgibt. Zur Verkürzung des Überschlagsweges kann das Isolierteil 2 auch aus einer Schichtung von isolierenden Teilen und elektrisch halbleitenden bzw. leitenden Teilen bestehen.
Wie bereits erwähnt, kann innerhalb des Isolierteiles 2 zusätzlich, isoliert gegenüber den Hauptelektroden 1 und 3 eine weitere Hilfselektrode 7 eingebracht werden, welche zur gezielten externen Triggerung des Abieiters verwendet wird.
Gemäß Figur 1 beinhaltet die Hauptelektrode 3 die beiden Expansionsräume 6 und die Lichtbogenbrennkammer 5. Die Elektrode 3 kann dabei vollständig aus lichtbogenbeständigen Material, wie z.B. Wolfram/Kupfer-, Chrom/Stahl- Legierungen, Graphit oder Ähnlichem aufgebaut werden bzw. aus Kostengründen nur partiell im Brennraum 5 und im Bereich des Teiles 4 aus einem solchen Material bestehen. Der Bereich des Teiles 4 ist gegenüber den umgebenden Elektrodenbereich hin zum Kopf, d.h. zur gegenüberliegenden Hauptelektrode 1 erhaben ausgeführt.
Innerhalb der Expansionsräume 6 aber auch innerhalb der Kanäle 10 kann bei Bedarf zur Begrenzung des Energieumsatzes bei Stoßströmen hartgasabgebendes Material 15 angeordnet werden.
Bei der Figur 2 ist eine ähnliche Anordnung wie in Figur 1 gezeigt, wobei jedoch die Expansionsräume 6 mit einer Auswahl verschiedener Möglichkeiten zur Anbringung von Kühlplatten 11 oder -Stegen 12 versehen sind. Ziel dieser Mittel ist es ein möglichst großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Kühlkörpers bei maximaler Volumenausnutzung zu schaffen.
In der Draufsicht verschiedener Anordnungen von Brennkammern 5 und Expansionsräumen 6 nach Figur 3 werden Gestaltungsmöglichkeiten offenbart, bei denen die Expansionsräume auch mindestens teilweise miteinander oder untereinander verbindbar sind.
Die Schnittdarstellung eines Überspannungsabieiters gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nach Figur 4 offenbart Expansionsräume, die sich bezogen auf das Lichtbogenansatzteil 4 in der Elektrode sowohl nach oben als auch nach unten, d.h. zum Kopf- und Fußbereich hin erstrecken.
Bei entsprechender Gestaltung sind auch Anordnungen denkbar, bei denen sich der Expansionsraum vorwiegend nurauf der Höhe des Lichtbogenfußpunktes um die Lichtbogenbrennkammer, z.B. in koaxialer Form oder in Segmenten erstreckt.
Figur 5 zeigt einen Abieiter, bei dem zwei Lichtbogenbrennräume mit je zwei Expansionsräumen korrespondieren. Die Lichtbogenbrennräume oder Lichtbogenbrennnkammern 5.1 und 5.2 können elektrisch verschalten werden. Je nach Verschaltung der Lichtbogenbrennkammern kann die Stoßstromtragfähigkeit (Parallelschaltung) oder die Folgestrombegrenzung auch bei höheren Spannungen (Reihenschaltung) verbessert werden. Figur 5 stellt nur ein Beispiel einer höheren Anzahl von Brennräumen bzw. Lichtbogenbrennkammern dar, dass nicht den Erfindungsgedanken begrenzend zu interpretieren ist. In ähnlicher Weise sind auch Anordnungen für eine drehstromgerechte Verschaltung der einzelnen Abieiterpfade realisierbar.
Bei der Ausführungsform nach Figur 6 ist ein Abieiter gezeigt, bei dem eine vorgefertigte Funkenstrecke 13 nach dem Hartgasprinzip in ein ebenfalls vorgefertigtes oder vorfertigbares Gehäuse 14 eingeschraubt wird. Dieses Gehäuse 14 umfasst mindestens die beschriebenen Expansionsräume 6 und im gezeigten Beispiel auch das Lichtbogenansatzteil 4 für den Lichtbogenfußpunkt.

Claims

Patentansprüche
1. Gekapselter, Netzfolgestrom begrenzender Überspannungsabieiter auf Funkenstreckenbasis für Niederspannungsanwendungen mit zwei Hauptelektroden sowie mit bei. Temperaturbelastung gasabgebenden Isolierteilen, wobei eine der Hauptelektroden mindestens Teil der Kapselung und/oder des Funkenstreckengehäuses ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die Kapselung oder das Funkenstreckengehäuse eine im Wesentliche langgestreckte Quaderform besitzt, wobei im Quader eine Lichtbogenbrennkammer und mindestens zwei separate Expansionsräume, jeweils im Wesentlichen sich über die gesamte Quaderhöhe erstreckend gebildet sind, die Expansionsräume mit der Lichtbogenbrennkammer über Kanäle verbunden sind und die Kammer sowie die Expansionsräume im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen,
- die Lichtbogenbrennkammer im Kopfbereich von einer der Hauptelektroden und von einem Isolierteil begrenzt und im gegenüberliegendem Fußbereich von einem Lichtbogenansatzteil, welches mit der weiteren Hauptelektrode in Verbindung steht, gebildet wird,
- sich die Kanäle seitlich vom Lichtbogenansatzteil hin zu den Expansionsräumen erstrecken und
- sich die Lichtbogensäule zwischen dem Kopf- und Fußbereich, d.h. zwischen der Hauptelektrode und dem vorgesehenen Lichtbogenansatzteil ausbildet, wobei durch die Fußpunktbewegung am Lichtbogenansatzteil abwechselnd einer oder zeitweise beide Verbindungskanäle zu den Expansionsräumen von der
■ Lichtbogensäule mindestens teilweise verschlossen wird/werden, so dass sich unterschiedliche Druck- und Strömungsverhältnisse aufbauen.
2. Gekapselter Uberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch geke n nzeichnet, dass durch das Isolierteil im Kopfbereich der Lichtbogenbrennkammer eine Triggerelektrode geführt ist.
3. Gekapselter Uberspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadu rch geke n nzei ch net, dass sich die Expansionsräume und die Lichtbogenbrennkammern im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Quaders erstrecken und die Expansionsräume sich bevorzugt in den Endbereichen der Längs-Schmalseiten des Quaders befinden.
4. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad u rch g eke n nzei chnet, dass die Kanäle im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse der Brennkammer oder den Expansionsräumen verlaufen.
5. Gekapselter Uberspannungsableiter nach Anspruch 4, dadu rch geke n nzei chnet, dass die Verbindungskanäle aus einem gasabgebenden Isolierstoff bestehen.
6. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad u rch geken nzei chnet, dass der Quader Hohlräume aufweist, die die Lichtbogenkammern und die Expansionsräume sowie die Kanäle bilden.
7. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadu rch geken nzei c'hnet, dass eine der Hauptelektroden Hohlräume aufweist, welche mindestens die Expansionsräume umfassen, wobei die Expansionsräume jeweils nahezu das gleiche Volumen wie die Lichtbogenbrennkammer besitzen.
8. Gekapselter Uberspannungsableiter nach Anspruch 7, dad u rch geken nzeichnet, dass der Querschnitt der Expansionsräume im Wesentlichen demjenigen der Kanäle und Lichtbogenbrennkammer entspricht.
9. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad urch g eken nzeich net, dass die Expansionsräume sich im Wesentlichen entgegengesetzt zur Strömungsrichtung innerhalb der Lichtbogenbrennkammer erstrecken.
10. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad urch g eken nzei ch net, dass der Übergangsbereich zwischen der Lichtbogenbrennkammer und dem jeweiligen Kanal eine Aufweitung besitzt, um auch bei vollständiger Ausfüllung des Brennraumes durch den Lichtbogen ein Abströmen der Gase zu gewährleisten.
11. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch geken nzeich net, dass die Innenseiten der Expansionsräume Mittel zur Gaskühlung umfassen.
12. Gekapselter Uberspannungsableiter nach Anspruch 11, dadu rch g eke n nzeich net, dass die Oberfläche der Expansionsräume strukturiert ist und/oder Kühlplatten oder - flächen vorgesehen sind.
13. Gekapselter Uberspannungsableiter nach Anspruch 11 oder 12, dadurch g e ken nzei c'h net, dass die Expansionsräume aus Kupfer- oder Kupferlegierungs-Material bestehen.
14. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dad u rch g eken nzei chnet, dass die Expansionsräume Entlüftungsöffnungen kleinen Querschnitts zum allmählichen
Druckausgleich zur Umgebung hin aufweisen.
15. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch geken nzeichnet, dass in einer Kapselung mehrere elektrisch verschaltbare Lichtbogenbrennkammern mit jeweils zugeordneten Kanälen und Expansionsräumen vorhanden sind.
16. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch geken nzeichnet, dass eine Lichtbogenbrennkammer als separates Bauteil gefertigt in eine Kapselung einbringbar ist, welche die Kanäle sowie die Expansionsräume enthält und die die Gegenelektrode sowie das Lichtbogenansatzteil bildet.
17. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadu rch geken nzeichnet, dass in mindestens einem Kanal und/oder einem Expansionsraum weitere, bei Temperaturanstieg gasabgebende, einen Gegendruck aufbauende Isolationsteile oder Isolationsabschnitte vorgesehen sind.
18. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dad u rch g eke n nzeich net, dass an der weiteren Hauptelektrode (3) oder dem Lichtbogenansatzteil (4) und der Triggerelektrode (7) oder einer äquivalenten Elektrode hierzu ein Halbleiterwiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (17) angeschlossen ist.
19. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dad u rch g eken nzei ch net, dass das Lichtbogenansatzteil (4) gegenüber der umgebenden weiteren Hauptelektrode (3) über ein Teil (16) isoliert und zwischen Hauptelektrode (3) und dem Lichtbogenansatzteil (4) ein Halbleiterwiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (17) geschalten ist.
20. Gekapselter Uberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch geken nzeichnet, dass das Lichtbogenansatzteil (4) gegenüber der umgebenden weiteren Hauptelektrode (3) über ein Teil (16) isoliert und am Lichtbogenansatzteil (4) ein Halbleiterwiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (17) gegen Masse angeschlossen ist, wobei die weitere Hauptelektrode (3) ebenfalls auf Massepotential liegt.
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