WO2012126720A1 - Funkenstrecke mit mehreren in reihe geschalteten, in einer stapelanordnung befindlichen einzelfunkenstrecken - Google Patents

Funkenstrecke mit mehreren in reihe geschalteten, in einer stapelanordnung befindlichen einzelfunkenstrecken Download PDF

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WO2012126720A1
WO2012126720A1 PCT/EP2012/053794 EP2012053794W WO2012126720A1 WO 2012126720 A1 WO2012126720 A1 WO 2012126720A1 EP 2012053794 W EP2012053794 W EP 2012053794W WO 2012126720 A1 WO2012126720 A1 WO 2012126720A1
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gap according
electrodes
fuse
spark
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PCT/EP2012/053794
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Arnd Ehrhardt
Stefanie Schreiter
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Dehn SE and Co KG
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Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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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
    • H01T1/14—Means structurally associated with spark gap for protecting it against overload or for disconnecting it in case of failure
    • 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 with a plurality of series-connected, arranged in a stack arrangement Einzelfunkenstartn, which are spaced apart by insulating spacers and which is almost Folgestromok under normal operating conditions, the Einzelfunkenstartn electrodes and outer terminal electrodes are provided, and further with controls for influencing the stress distribution over the stack arrangement and / or designed as a starting aid, according to the preamble of patent claim 1.
  • CN 101090197 A is a stacking arrangement of individual electrodes for low voltage applications with electrical display and external Steuert. Zünd Anlagenn previously known, in which in the current path of the tax or
  • temperature fuses are generally not designed for safe separation, in particular in a preferred DC voltage application, so that the control or ignition aid and thus the entire
  • Surge arrester can not be put into a defined fail-safe state.
  • the local electrical display requires its own energy supply, the additional components in this regard affect the function of the control and ignition aid and also must be performed voltage resistant.
  • Used explosive charges Such a device is shown for example in DE 20 56 526.
  • Spark gaps on the basis of a stack arrangement of individual electrodes are preferably designed ROCstromok, so that here is sufficient large tripping current for an external overcurrent protection device does not flow until the entire Abieiter has been irreparably damaged or overturned and a risk potential for the surrounding system components results. There is therefore a need for early fault detection and shutdown for an integrated guard with indication of such spark gaps.
  • thermal or mechanical damage can occur, for example, due to excessive pulse currents, excessive mains voltages or combinations thereof.
  • the generic stack arrangement of individual electrodes with external potential control and impedances has separating sections, the number of which is selected so that the behavior of the spark gap when responding quasi scostromok up to the level of the maximum operating voltage.
  • the object of the invention is to propose a state control device which is sensitive to thermal, adiabatic and / or mechanical overload, e.g. as a result of excessive
  • the state control device to be created is therefore intended to detect and indicate any functional impairment of the surgeon as well as to transfer the control or starting aid and / or the entire surge arrester to a safe state.
  • the movement of the insulation element is coupled to an optical display and optionally a signaling. Both triggering possibilities are preferred, ie thermally and adiabatically with the aid of a
  • the aforementioned, mechanically preloaded isolation element is inserted or pivoted in between two adjacent electrodes of the individual spark gaps in order to interrupt the main current path of the spark gap internally in the event of a fault or overload.
  • the isolation element is locked by at least one, designed as a current and / or thermal constriction blocking element and released in case of failure or overload.
  • the blocking element acts in the latter case, therefore, as a release or triggering element.
  • the blocking element is located in the main current path and consists of an electrically conductive material. Due to the material properties and the
  • the geometry of the blocking element is an adiabatic triggering via the square integral and / or a thermal tripping by a
  • the blocking element and / or the insulating element are provided with a
  • the blocking element consists of a series connection of a backup strip and a Lotmenge.
  • the above-described protection and interruption device can be arranged between two electrodes of the spark gap, which in
  • Edge region of the stack assembly are located near the terminal electrodes to the power connection path to the controls
  • the prestressed insulation element then separates electrically directly or indirectly in the case of triggering simultaneously the power connection path to the
  • an electrical fuse is inserted in the electrical supply line to the control or ignition aid, which interrupts the electrical connection in case of electrical overload.
  • This fuse can be designed as a thermal fuse.
  • the interruption of the fuse can also be signaled mechanically, visually or in a similar manner.
  • a characteristic fuse is connected to one of the electrodes, wherein the current for the ignition or the voltage distribution leads via this fuse. Furthermore, the connection between the electrode and the fuse via a conductive, thermally sensitive means, in particular a solder.
  • Parts of the stacked spark gaps may endanger the mechanical condition of the entire assembly. By gap formation or displacement of individual components can lead to malfunction and hazards when responding to the surge protector. If such errors are not caused by heating or energy input by impulse Power surges can be sufficiently represented, according to the invention, a mechanical monitoring.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a stack arrangement of single spark gaps according to the prior art
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the protective device for realizing the fail-open state of the stack arrangement with an insulation element which can interrupt the main current path;
  • FIG 3 shows an embodiment with a Stromengstelle and one in series thereto thermal constriction, formed by a solder.
  • Fig. 5a shows a first embodiment for monitoring the state of a
  • Fig. 5b shows a similar embodiment as shown in Fig. 5a, but here the control or ignition aid is arranged upstream of the insulating element and the supply line is interrupted separately, the insulation element for safe separation of both individual components is used, if the supply line to the control or ignition aid led through the insulation element and in the case of separation this is interrupted;
  • Fig. 6 shows an embodiment with separate protection device and Steuert. Ignition aid, which also performs a display and possibly also a telecommunications function
  • 7 shows an embodiment with overcurrent protection in the supply line of the control or ignition aid and a wire-secured release;
  • Fig. 8 shows an embodiment with a protective device for the Steuertial. Ignition aid via an indicator fuse and
  • Fig. 9 shows an embodiment in a mechanical separating device, wherein the entire stacking arrangement is held under spring tension.
  • the exemplary embodiments show device integrated fail-safe protection devices for surge arresters on the basis of spark gaps for network applications, in particular in the field of DC applications.
  • spark gaps are based on partially very different materials and technologies, so that the electrical aging of the spark gaps also varies greatly. This in turn leads to very different requirements for possible protective devices for realizing a fail-safe state, among others. with regard to the trigger mechanisms to be used and the switching capacity.
  • the following description of the embodiments is limited to spark gaps, which allow quasi no follow currents at maximum allowable operating voltage, and in particular to those spark gaps, which are intended for applications in low-voltage DC networks.
  • the basic structure of a Abieiters according to the selected genus is based on a stack arrangement, which consists of sufficiently many individual electrodes, so that preferably a scostromschreib spark gap can be realized. In this regard, reference is made to the schematic diagram of FIG. 1.
  • Such Abieiter 1 has at least two terminal electrodes or terminals 3, a housing 2 and a device for guiding the stack assembly (not shown).
  • the stack arrangements consist of a series arrangement of disk-shaped individual electrodes 4 and insulating or high-resistance spacers 5.
  • the volume resistivity of the spacers is> 10 3 ⁇ .
  • a control or ignition aid 6 with corresponding discrete components in a corresponding circuit is often provided. These components are usually also electrically contacted with a plurality of electrodes of the spark gap.
  • a protective device according to the invention for such a spark gap must be able to take into account all error cases as a result of possible aging, overloading with regard to designated nominal parameters as well as possible fault conditions of the network.
  • Surge arrester does not have sufficient insulation resistance or even represents a low impedance short circuit and thus no
  • one or more pulsed loads outside the designated nominal values of the spark gap can lead to damage to the entire mechanical arrangement, so that after these loads an impairment of the function under normal operating conditions or in a further error case is not excluded.
  • the electrically or partially connected in parallel to the actual spark gap control or ignition aids 6 can also one
  • the protection device presented here has been created, which optimally protects the surge arrester against overload and the consequences of aging phenomena and can be integrated to save space in the Abieiter.
  • the protective device described below responds to thermal and / or adiabatic heating of the spark gap, e.g. through the
  • the device realizes a display and / or a remote message of the
  • a compact device Due to the preferred embodiment as a compact device is a common display and / or remote indication of the spark gap and the Control or ignition aid provided.
  • the display can here also be stepped, so that, for example, the plant operator is informed whether only the control or ignition aid was overloaded and transferred to a corresponding fail-open state and thus the system is protected in principle with an increased level of protection or whether the whole
  • Surge arrester is in a fail-open state and the system is exposed unprotected to potential overvoltage events.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a protective device for realizing the fail-open state of the stack arrangement.
  • the active sensitive element 7 of the spark gap overload protection device is located directly in the main current path and is affected by the impulse surge currents and possible leakage currents due to aging or unacceptable operating conditions, e.g. mains frequency overvoltages, flowing through.
  • the active, sensitive element 7 is arranged so that the heating of the spark gap or the individual electrodes 4 of the spark gap lead directly to a heating of the active element 7.
  • the element, referred to as the blocking element 7 on the demanding side, preferably consists of one
  • electrically conductive material with a defined square integral and / or a melting temperature of ⁇ 400 ° C.
  • the current square integral of the blocking element 7 becomes the respective nominal value, ie the maximum permissible pulse surge current of the spark gap and can be adapted to the desired nominal values or overload criteria via the cross-sectional area or the material.
  • an insulating element 8 e.g. designed as a slider or foil, moved in between the conductive electrodes 4.
  • the movement of the insulation element 8 can be supported, for example, by means of a spring 9 and coupled directly or indirectly with a display 10.
  • the mentioned movement can be translational, but also rotational, i. be performed as insertion or Einschwiegvorgang.
  • the blocking element 7 can either be connected directly to the individual electrodes 4 by a positive connection or else via a good electrically and thermally conductive intermediate layer 12 in a two-part electrode or between two individual electrodes, as shown in FIG. 3, by a suitable connection technology, e.g. be attached by soldering.
  • the blocking element 7 can in principle be placed anywhere, i. be positioned at the beginning or the end of the stack or between the individual electrodes of the spark gap.
  • a central arrangement is a particularly preferred variant, since here the area of the strongest heating for dimensioning the blocking element 7 can be used in an advantageous manner.
  • the flow restriction 11 is e.g. in the form of a very simple backup tape and the
  • the combination of the backup tape 11 with trained melt integral value and the Lotstelle 13, which is temperature sensitive according to FIG. 3, has the same functional scope as the blocking element 7 of FIG. 2, which is designed there as a single element, and triggers in an overload due to temperature increase and / or the amperage the protective device off.
  • the protective device according to the invention requires underfoil-free design
  • Isolation element 8 may be coupled directly to the display function. However, a separate movement is possible regardless of the display function. A separate movement, as shown in Fig. 4, has the advantage that the path of movement is shortened and thus necessary forces can be minimized.
  • an optionally present control and ignition aid 6 must be able to be converted into a safe state.
  • FIG. 5a One possibility for this according to FIG. 5a is that e.g. in a positioning of the blocking element 7 and the insulating member. 8
  • the power connection path 14 of the control or ignition aid 6 of the protective device is arranged downstream of the spark gap located in the main current path and thus automatically disconnected from the network by the upstream in the event of an error separation path.
  • control or ignition aid 6 experiences only a small current load in normal operation and without electrical displays and in this regard, larger currents may occur only in case of error.
  • the path of the pilot aid 6 is also set in a fail-open state.
  • control or ignition aid 6 If only errors occur in the area of the control or ignition aid 6 and no forced activation of the fail-open state of the entire overvoltage protection device is to take place or was not realized, is a separately active protection device for the control or ignition aid, which is also a Display and optionally also telecommunications function, makes sense.
  • FIG. 6 For such a further embodiment is shown in FIG. 6 for
  • the electrical fuse can be made to be purely thermal, e.g. by the choice of the fusible conductor material or a
  • Fusible conductor contacting or connection can trigger, so that here a thermal fuse is formed.
  • Connection can be forwarded to a mechanical display 10 by means of insulating slide or biased element.
  • a slide is blocked here by the electric fuse of the fuse during normal operating conditions and released in the event of an error, the production of a defined separation point.
  • the indication of the fault state of a board for the control or ignition aid can also be independent of the function of the insulation element 8 in the form of eg a Kennmelder Schweizer, a fuse with firing pin or a thermally sensitive contact point.
  • a mechanically prestressed trigger 19 is held parallel to an overcurrent fuse 15 for the control or ignition aid 6.
  • a wire 20 can be used with low rated current. The wire 20 is electrically parallel to the overcurrent protection and is triggered when the
  • the exemplary trigger element 19 is biased by a spring 9 and is located in a support member 18.
  • This material is in direct thermal contact with one of the electrodes 4 of the spark gap or it takes place a thermal heat coupling over a low thermal gradient, eg with the help of a thermally well conductive
  • Insulation parts 17 An air gap between the two individual electrodes 4, which is necessary for the functioning, and which the insulation part 17
  • the indication of a faulty state of the control or ignition aid 6 is carried out by the electrical overload of the fuse 15 and the electrically parallel holding wire 20.
  • the attachment of the holding wire 20 is thermally triggered by the excess temperature at the electrodes 4 of the spark gap 1. It is then released the thermally conductive insulating member 17 and the
  • Contacting 14 of the control or ignition aid 6 can be realized with a single component 15.
  • the display or telecommunications function is in this case coupled to the display sheet or the indicator 21 of the fuse.
  • the presented embodiments of the life-time-control in particular monitor the effects of overloads on the temperature or the current load in the surge arrester. However, it is also possible to use other physical effects to assess the damage or to monitor the fault condition.
  • Parts of the stacked spark gaps may endanger the mechanical condition of the entire assembly. As a result of a gap or by shifting the individual components may cause malfunction and
  • Hazards occur when the overvoltage protection device responds. If such errors can not be mapped to a sufficient degree via the heating or the energy input by pulse impulse currents, a purely mechanical monitoring can take place.
  • FIG. 9 shows a corresponding possibility for this purpose.
  • the entire stack arrangement is held under mechanical spring preload with the aid of the spring 22.
  • the pulse current carrying contact is connected via a sliding connection, e.g. realized the coil spring contact, a flexible connection or a bellows in a technically known manner.
  • An additional or already existing insulation element 8 (see also FIG. 5) is mounted between the individual stack parts such that upon release of the spring preload of the stack a release
  • the loosening of the stack due to the pressure load of the spark gap at impulse shock currents in the nominal range is below the tripping limit of this device.
  • the defined triggering of the arrangement in a relaxation of the Stack can be supported by a return spring 23 in the region of the insulating element or slider 8.
  • the mechanical damage to the contact arrangement can also lead to defective contacting of the components of the control or ignition aid 6.
  • sparking may occur in the actual normal function of the drain, which leads to a risk of breakdown of the drain.
  • This sparking is monitored according to an embodiment by means of a light or radiation sensor.
  • the signal obtained in this case can be used for targeted overcurrent tripping of the existing fuse, whereby the control or ignition aid in the explained fail-open state is displaceable.
  • a display and optionally a remote message can be made and thus the uncontrolled spark gap with increased protection level continue to remain as backup protection on the network.
  • Condition control device has no own energy requirement and is thus resistant to interference.
  • the movement of the insulating element can with the

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in einer Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, welche durch isolierende Distanzstücke (5) voneinander beabstandet sind und die unter üblichen Betriebsbedingungen nahezu folgestromfrei ist, wobei die Einzelfunkenstrecken Elektroden (4) aufweisen und äußere Anschlusselektroden vorgesehen sind sowie weiterhin mit Steuerelementen zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über der Stapelanordnung und/oder ausgebildet als Zündhilfe. Erfindungsgemäß ist zwischen zwei benachbarten Elektroden (4) der Einzelfunkenstrecken ein mechanisch vorgespanntes Isolationselement (8) einschieb- oder einschwenkbar, um im Störungs- oder Überlastfall den Hauptstrompfad der Funkenstrecke zu unterbrechen.

Description

Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in einer Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in einer Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, welche durch isolierende Distanzstücke voneinander beabstandet sind und welche unter üblichen Betriebsbedingungen nahezu folgestromfrei ist, wobei die Einzelfunkenstrecken Elektroden aufweisen und äußere Anschlusselektroden vorgesehen sind, sowie weiterhin mit Steuerelementen zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über der Stapelanordnung und/oder ausgebildet als Zündhilfe, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der WO 2007/065997 ist eine Funkenstrecke für den Niederspannungsbereich vorbekannt, bei welcher im Leitungspfad eine Stromengstelle integriert ist, die bei zu hohen Folgeströmen bzw. Impulsströmen schmilzt. Bei dieser technologiebedingt folgestrombehafteten Funkenstrecke nach dem
Hörnerprinzip ist jedoch keine rein thermische Auslösung gegeben. Ebenso fehlt eine Anzeige. Ein definierter„Fail-Safe-Zustand" ist damit nicht
realisierbar.
Aus der CN 101090197 A ist eine Stapelanordnung von Einzelelektroden für Niederspannungsanwendungen mit elektrischer Anzeige und externen Steuerbzw. Zündhilfen vorbekannt, bei denen im Strompfad der Steuer- bzw.
Zündhilfe mindestens eine Sicherung, auch ausgebildet als Thermosicherung, vorgesehen ist.
Es wird dort der Strom der Steuer- bzw. Zündhilfe und die Temperatur im Bereich der Steuer- bzw. Zündhilfe überwacht. Bei dieser Variante besteht jedoch nur eine unzureichende Wärmekopplung zu den betroffenen Bauteilen, so dass nur eine eingeschränkte Bewertung des thermischen Zustands der Funkenstrecke möglich ist.
Zudem sind Temperatursicherungen im allgemeinen nicht für eine sichere Abtrennung, insbesondere bei einer bevorzugten Gleichspannungsanwendung ausgelegt, so dass die Steuer- bzw. Zündhilfe und somit der gesamte
Überspannungsabieiter nicht in einen definierten Fail-Safe-Zustand versetzt kann werden. Darüber hinaus benötigt die dortige elektrische Anzeige eine eigene Energieversorgung, wobei die diesbezüglich zusätzlichen Bauelemente die Funktion der Steuer- und Zündhilfe beeinträchtigen und außerdem spannungsfest ausgeführt werden müssen.
Es lässt sich zusammenfassend feststellen, dass aus dem Niederspannungsbereich für Funkenstrecken, welche auf einer Stapelanordnung von
Einzelelektroden beruhen, keine Mittel zur direkten Zustandsüberwachung bekannt sind, welche die betreffende Funkenstrecke und/oder die
dazugehörige Steuer- bzw. Zündhilfe in einen definierten Fail-Open-Zustand überführen.
Aus dem Mittelspannungs- oder Hochspannungsbereich sind Vorrichtungen für Stapelanordnungen aus Funkenstrecken und/oder Varistoren vorbekannt, welche den Abieiter bei Überlast vom Netz trennen. Derartige Abieiter verfügen über eine druck- bzw. gasgesteuerte Vorrichtung, welche die
Anschlussleitung absprengen und somit eine lange Trennstrecke außerhalb des Abieiters als Luftstrecke realisieren. Es werden teilweise auch direkt
Sprengladungen verwendet. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der DE 20 56 526 gezeigt.
Aus dem Stand der Technik bekannte Funkenstrecken mit einem hohen
Folgestromlöschvermögen und entsprechendem Folgestrombegrenzungs- verhalten, welche beispielsweise auf dem Hörner- oder Radax-Flow-Prinzip basieren, besitzen im Fehlerfall einen ausreichend großen Strom, um eine üblicherweise extern angeordnete Überstromschutzeinrichtung auslösen zu können.
Funkenstrecken auf der Basis einer Stapelanordnung von Einzelelektroden sind vorzugsweise folgestromfrei ausgeführt, so dass hier auch ein ausreichend großer Auslösestrom für eine externe Überstromschutzeinrichtung erst dann zum Fließen kommt, wenn bereits der gesamte Abieiter irreparabel beschädigt oder überschlagen ist und ein Gefährdungspotential für die umgebenden Anlagenteile resultiert. Es besteht daher für eine frühzeitige Fehlererkennung und Abschaltung Bedarf nach einer integrierten Schutzeinrichtung mit Anzeige für derartige Funkenstrecken. Bei folgestromlosen Überspannungsableitern kann es z.B. durch zu hohe Impulsströme, überhöhte Netzspannungen oder deren Kombinationen zu einer thermischen oder mechanischen Schädigung kommen. Dabei kann es sich um eine partielle Beeinträchtigung des Abieiters, z.B. an der Steuer- bzw. Zündhilfe oder aber auch um Schäden an der Hauptfunktionsgruppe handeln, welche nach einmaliger Überlast zu einem kritischen Zustand des Abieiters bzw. auch infolge von mehrfacher Überlastung zu einer übermäßigen Alterung des Abieiters führen.
Die gattungsgemäße Stapelanordnung von Einzelelektroden mit externer Potentialsteuerung und Impedanzen weist Trennstrecken auf, deren Anzahl so gewählt wird, dass bis zur Höhe der zulässigen maximalen Betriebsspannung das Verhalten der Funkenstrecke beim Ansprechen quasi folgestromfrei ist.
Für eine derartige Funkenstrecke besteht die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Zustandskontrolle vorzuschlagen, welche auf thermische, adiabatische und/oder mechanische Überlast, z.B. infolge überhöhter
Impulsstrombelastungen der Funkenstrecke und/oder der Steuer- bzw.
Zündhilfe reagiert. Neben der Anzeige des jeweiligen Zustands des gesamten Abieiters werden entweder die Steuer- bzw. Zündhilfe und/oder der gesamte Überspannungsabieiter in einen definierten Fail-Open-Zustand versetzt.
Die zu schaffende Zustandskontrolleinrichtung soll also jegliche Funktionsbeeinträchtigung des Abieiters erfassen, anzeigen sowie die Steuer- bzw. Zündhilfe und/oder den gesamten Überspannungsabieiter in einen sicheren Zustand überführen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit der Merkmalskombination gemäß der Lehre nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche
mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen. Demnach wird ein entsprechender Strompfad an der Steuer- bzw. Zündhilfe und/oder an bzw. in der Funkenstrecke infolge einer erhöhten Temperatur und/oder Überschreiten eines Stromquadratintegrals, z.B. einer Sicherung, unterbrochen und ein Isolationselement in den Hauptstrompfad eingebracht. Die Bewegung des Isolationselements ist dabei mit einer optischen Anzeige und gegebenenfalls einer Signalgabe gekoppelt. Bevorzugt werden beide Auslösemöglichkeiten, d.h. thermisch und adiabatisch mit Hilfe eines
gemeinsamen Bauteils realisiert.
Aus Obigem zusammenfassend wird demnach von einer Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in einer Stapelanordnung befindlichen
Einzelfunkenstrecken ausgegangen, welche durch isolierende Distanzstücke voneinander beabstandet sind und die unter üblichen Betriebsbedingungen nahezu folgestromfrei ist, wobei die Einzelfunkenstrecken Elektroden
aufweisen und äußere Anschlusselektroden vorgesehen sind. Weiterhin sind Steuerelemente zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über der
Stapelanordnung und/oder ausgebildet als Zündhilfe vorhanden.
Erfindungsgemäß wird zwischen zwei benachbarten Elektroden der Einzelfunkenstrecken das vorerwähnte, mechanisch vorgespannte Isolationselement eingeschoben oder eingeschwenkt, um im Störungs- oder Überlastfall den Hauptstrompfad der Funkenstrecke intern zu unterbrechen.
Das Isolationselement wird von mindestens einem, als Strom- und/oder thermische Engstelle ausgebildeten Blockierelement arretiert und im Störungsoder Überlastfall freigegeben. Das Blockierelement fungiert im letzteren Fall daher als Freigabe- oder Auslöseelement.
Das Blockierelement ist im Hauptstrompfad befindlich und besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material. Durch die Materialeigenschaften und die
Geometrie des Blockierelements wird eine adiabatische Auslösung über das Stromquadratintegral und/oder eine thermische Auslösung durch eine
Schmelztemperatur von <400°C realisiert.
Das Blockierelement und/oder das Isolationselement sind mit einer
Störungsanzeige in Verbindung stehend oder können eine derartige Anzeige auslösen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht das Blockierelement aus einer Reihenschaltung eines Sicherungsbands und einer Lotmenge.
Die vorbeschriebene Schutz- und Unterbrechungseinrichtung kann zwischen zwei Elektroden der Funkenstrecke angeordnet werden, welche sich im
Randbereich der Stapelanordnung in der Nähe der Anschlusselektroden befinden, um den Stromanschlusspfad zu den Steuerelementen zu
unterbrechen.
Das vorgespannte Isolationselement trennt dann elektrisch unmittelbar oder mittelbar im Auslösefall gleichzeitig den Stromanschlusspfad zu den
Steuerelementen und isoliert die entsprechenden, dem Isolationselement benachbart liegenden Elektroden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist in der elektrischen Zuleitung zur Steuer- bzw. Zündhilfe eine elektrische Sicherung eingebracht, welche bei elektrischer Überlast die Stromverbindung unterbricht.
Diese Sicherung kann als Thermosicherung ausgebildet werden.
Die Unterbrechung der Sicherung kann darüber hinaus mechanisch, optisch oder in ähnlicher Weise signalisiert werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist an eine der Elektroden eine Kennmeldersicherung angeschlossen, wobei der Strom für die Zündung oder zur Spannungsverteilung über diese Sicherung führt. Weiterhin erfolgt die Verbindung zwischen der Elektrode und der Sicherung über ein leitfähiges, thermisch sensibles Mittel, insbesondere ein Lot.
Bei zu hohem Impulsstrom, Überlasten oder Beschädigungen an den
Einzelteilen der Stapelfunkenstrecken kann der mechanische Zustand der gesamten Anordnung gefährdet sein. Durch Spaltbildung oder Verschiebung von Einzelkomponenten kann es jeweils zu Fehlfunktionen und Gefährdungen beim Ansprechen der Überspannungsschutzeinrichtung kommen. Falls derartige Fehler nicht über die Erwärmung oder den Energieeintrag durch Impuls- Stromstöße in ausreichendem Maße abgebildet werden können, erfolgt erfindungsgemäß eine mechanische Überwachung.
Hierfür steht die gesamte Stapelanordnung oder Federvorspannung, wobei beim Nachlassen der Federvorspannung das Isolationselement den
Hauptstrompfad unterbricht.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Stapelanordnung von Einzelfunkenstrecken gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Schutzvorrichtung zur Realisierung des Fail-Open-Zustands der Stapelanordnung mit einem Isolationselement, welches den Hauptstrompfad unterbrechen kann;
Fig. 3 eine Ausführungsform mit einer Stromengstelle sowie einer in Reihe hierzu befindlichen thermischen Engstelle, gebildet durch ein Lot;
Fig. 4 eine Ausführungsform mit separater Anzeigefunktion;
Fig. 5a eine erste Ausführungsform zur Überwachung des Zustands einer
Steuer- und Zündhilfe;
Fig. 5b eine ähnliche Ausführungsform wie in Fig. 5a gezeigt, wobei jedoch hier die Steuer- bzw. Zündhilfe dem Isolationselement vorgeordnet ist und die Zuleitung separat unterbrochen wird, wobei das Isolationselement zur sicheren Abtrennung beider Einzelkomponenten nutzbar ist, wenn die Zuleitung zur Steuer- bzw. Zündhilfe durch das Isolationselement geführt und im Fall einer Abtrennung diese unterbrochen wird;
Fig. 6 eine Ausführungsform mit separater Schutzeinrichtung sowie Steuerbzw. Zündhilfe, welche ebenfalls eine Anzeige- und gegebenenfalls auch eine Fernmeldefunktion ausübt; Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel mit Überstromsicherung in der Zuleitung der Steuer- bzw. Zündhilfe und drahtgesichertem Auslöser;
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel mit einer Schutzeinrichtung für die Steuerbzw. Zündhilfe über eine Kennmeldersicherung und
Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel in einer mechanischen Abtrennvorrichtung, wobei die gesamte Stapelanordnung unter Federvorspannung gehalten ist.
Die Alterung von Überspannungsableitern infolge mehrfacher Überlastungen kann bei gattungsgemäßen Funkenstrecken in praktischer Anwendung nicht ausgeschlossen werden und beispielsweise einen zu geringen Isolationswiderstand hervorrufen. Der Überlastung in Funkenstrecken infolge Alterung wird üblicherweise mit externen Überstromschutzeinrichtungen in Form konventioneller Schaltgeräte realisiert, da die Anforderungen an bisher übliche Netztrennungen des Abieiters aufgrund der Höhe der zu erwartenden
Fehlerströme bei derartigen Funkenstrecken sehr hoch sind.
Die Ausführungsbeispiele zeigen in ein Gerät integrierte Fail-Safe-Schutz- einrichtungen für Überspannungsabieiter auf der Basis von Funkenstrecken für Netzanwendungen, insbesondere im Bereich von Gleichstromanwendungen.
Es sei darauf hingewiesen, dass derzeit übliche Funkenstrecken auf teilweise sehr verschiedenen Materialien und Technologien beruhen, so dass die elektrische Alterung der Funkenstrecken ebenfalls sehr unterschiedlich ausfällt. Dies führt wiederum zu sehr unterschiedlichen Anforderungen an mögliche Schutzeinrichtungen zur Realisierung eines Fail-Safe-Zustands u.a. bezüglich der anzuwendenden Auslösemechanismen und des Schaltvermögens.
Die nachstehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele beschränkt sich auf Funkenstrecken, welche bei maximal zulässiger Betriebsspannung quasi keine Folgeströme zulassen, und insbesondere auf solche Funkenstrecken, die für Anwendungen in Niederspannungs-Gleichstromnetzen vorgesehen sind. Der prinzipielle Aufbau eines Abieiters gemäß der gewählten Gattung geht von einer Stapelanordnung aus, welche aus ausreichend vielen Einzelelektroden besteht, so dass vorzugsweise eine folgestromfreie Funkenstrecke realisierbar ist. Diesbezüglich sei auf die Prinzipdarstellung nach Fig. 1 verwiesen.
Ein derartiger Abieiter 1 besitzt mindestens zwei Anschlusselektroden bzw. Anschlussklemmen 3, ein Gehäuse 2 sowie eine Vorrichtung zur Führung der Stapelanordnung (nicht gezeigt).
Die Stapelanordnungen bestehen aus einer Reihenschaltung von scheibenförmigen Einzelelektroden 4 und isolierenden bzw. hochohmigen Distanzstücken 5.
Der spezifische Durchgangswiderstand der Distanzstücke liegt bei >103 Ωιη. Zur Steuerung des Überschlagsverhaltens der Gesamtfunkenstrecke ist vielfach eine Steuer- bzw. Zündhilfe 6 mit entsprechenden diskreten Bauelementen in einer entsprechenden Beschaltung vorgesehen. Diese Bauelemente sind üblicherweise auch mit mehreren Elektroden der Funkenstrecke elektrisch kontaktiert.
Eine erfindungsgemäße Schutzvorrichtung für eine solche Funkenstrecke muss alle Fehlerfälle infolge einer möglichen Alterung, eine Überlastung in Bezug auf ausgewiesene Nennparameter sowie mögliche Fehlerzustände des Netzes berücksichtigen können.
Eine allmähliche Alterung der hier beschriebenen Funkenstrecke ist durch die thermische Schädigung der Distanzstücke 5, durch den Verlust der Isolationsfähigkeit der Distanzstücke 5 infolge von Verunreinigungen und durch langandauernde Spannungsüberhöhungen denkbar, so dass dann der
Überspannungsabieiter keinen ausreichenden Isolationswiderstand besitzt oder sogar einen niederimpedanten Kurzschluss darstellt und somit keine
Schutzfunktion der Anlage mehr aufweist.
Neben derartigen vergleichsweise langsam ablaufenden Vorgängen kann jedoch auch eine oder mehrere impulsförmige Belastungen außerhalb der ausgewiesenen Nennwerte der Funkenstrecke zu einer Schädigung der gesamten mechanischen Anordnung führen, so dass nach diesen Belastungen eine Beeinträchtigung der Funktion bei üblichen Betriebsbedingungen bzw. in einem weiteren Fehlerfall nicht ausgeschlossen ist.
Die elektrisch vollständig oder teilweise parallel zur eigentlichen Funkenstrecke geschalteten Steuer- bzw. Zündhilfen 6 können ebenfalls einer
Alterung unterliegen, da diese Steuer- bzw. Zündhilfen sehr oft aus diskreten Bauelementen bestehen, welche untereinander und auch mit den Teilfunkenstrecken der Stapelanordnung verbunden sind. Bei Fehlfunktionen der
Funkenstrecke, bei einer Belastung der Anordnung außerhalb des Nennbereichs, bei Verschmutzungen oder sonstigen Alterungen kann es zur
Belastung einzelner Bauzelemente bzw. auch der jeweiligen Kontaktierung dieser Steuerung sowie zu Überschlägen entlang der Parallelanordnung zur Funkenstrecke kommen. Prinzipiell ist somit auch eine Schutzbeschaltung dieser parallelen Anordnung sinnvoll, um eine Gesamtanordnung vor
weitergehendem Schaden zu bewahren.
Für den Schutz der Abieiter 1 mit einer unter normalen Betriebsbedingungen folgestromfreien Stapelanordnung und Steuer- bzw. Zündhilfe 6 ist die hier vorgestellte Schutzvorrichtung geschaffen worden, welche den Überspannungsabieiter optimal vor einer Überlast sowie den Folgen von Alterungserscheinungen schützt sowie platzsparend in den Abieiter integriert werden kann.
Die nachstehend beschriebene Schutzvorrichtung reagiert auf thermische und/oder adiabatische Erwärmung der Funkenstrecke, z.B. durch die
Überschreitung eines Energieumsatzgrenzwerts bei Impulsbelastungen in der Funkenstrecke sowie auf diverse Fehlerzustände der Steuer- bzw. Zündhilfe. Die Vorrichtung realisiert eine Anzeige und/oder eine Fernmeldung des
Ableiterzustands und versetzt den gesamten Abieiter 1 oder die Steuer- bzw. Zündhilfe 6 in einen Fail-Open-Zustand. Die jeweiligen Schutzvorrichtungen für die Funkenstrecke und Steuer- bzw. Zündhilfe können sowohl einzeln als auch in verschiedenen Kombinationen je nach Anwendungsfall genutzt werden und stellen sich durch die beispielhaften Ausführungsformen gemäß nachstehender Beschreibung nicht eingeschränkt dar.
Aufgrund der vorzugsweisen Ausführungsform als kompaktes Gerät wird eine gemeinsame Anzeige und/oder Fernmeldung für die Funkenstrecke und die Steuer- bzw. Zündhilfe vorgesehen. Die Anzeige kann hier auch gestuft erfolgen, so dass beispielsweise der Anlagenbetreiber darüber informiert wird, ob lediglich die Steuer- bzw. Zündhilfe überlastet und in einen entsprechenden Fail-Open-Zustand überführt wurde und somit die Anlage mit einem erhöhten Schutzpegel prinzipiell noch abgesichert ist oder ob sich der gesamte
Überspannungsschutzableiter in einem Fail-Open-Zustand befindet und die Anlage ungeschützt möglichen Überspannungsereignissen ausgesetzt ist.
Vorstehendes erfordert die Realisierung eines fehlerabhängigen Fail-Open- Zustands der Steuer- bzw. Zündhilfe oder des gesamten Abieiters, aber auch eine Anzeige, welche entsprechend der fehlerhaften Komponente oder dem Fehlerzustand wirksam wird.
Neben der vorgestellten Ausführung eines Fail-Open-Schutzes für nahezu folgestromlose Funkenstrecken ist die Realisierung eines fehlerabhängigen Fail-Open-Zustands und die Kombination der Schutzeinrichtungen mit der Anzeige wesentlich.
Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Schutzvorrichtung zur Realisierung des Fail-Open-Zustands der Stapelanordnung.
Das aktive, sensible Element 7 der Schutzvorrichtung für die Überlastgefahr der Funkenstrecke befindet sich direkt im Hauptstrompfad und wird von den Impulsstoßströmen und möglichen Leckströmen infolge einer Alterung bzw. bei nicht zulässigen Betriebsbedingungen, z.B. netzfrequente Überspannungen, durchflössen.
Das aktive, sensible Element 7 ist so angeordnet, dass die Erwärmung der Funkenstrecke bzw. der einzelnen Elektroden 4 der Funkenstrecke unmittelbar zu einer Erwärmung des aktiven Elements 7 führen. Das Element, anspruchs- seitig als Blockierelement 7 bezeichnet, besteht bevorzugt aus einem
elektrisch leitfähigen Material mit definiertem Stromquadratintegral und/oder einer Schmelztemperatur von <400°C.
Das Stromquadratintegral des Blockierelements 7 wird mit dem jeweiligen Nennwert, d.h. dem maximal zulässigen Impulsstroßstrom der Funkenstrecke abgestimmt und kann über die Querschnittsfläche bzw. das Material an die gewünschten Nennwerte bzw. Überlastkriterien angepasst werden.
Schmilzt das Blockierelement 7 infolge einer unzulässigen Temperatur und/oder Stromstärke, wird ein Isolationselement 8, z.B. als Schieber oder Folie ausgebildet, zwischen die leitfähigen Elektroden 4 hineinbewegt.
Die Bewegung des Isolationselements 8 kann beispielsweise mit Hilfe einer Feder 9 unterstützt werden und unmittelbar oder mittelbar mit einer Anzeige 10 gekoppelt sein.
Die erwähnte Bewegung kann translatorisch, aber auch rotatorisch, d.h. als Einschieb- oder Einschwenkvorgang ausgeführt werden.
Durch das Einbringen des Isolationselements 8 in den Hauptstrompfad der Funkenstrecke wird diese vom Netz getrennt, eine sichere Trennstrecke realisiert und somit die gesamte Funkenstrecke in einen Fail-Open-Zustand versetzt.
Das Blockierelement 7 kann entweder direkt an den Einzelelektroden 4 durch eine formschlüssige Verbindung oder auch über eine gute elektrische und thermisch leitfähige Zwischenlage 12 in einer zweiteiligen Elektrode bzw. zwischen zwei einzelnen Elektroden, wie in Fig. 3 dargestellt, durch eine geeignete Verbindungstechnologie, z.B. durch Lötung befestigt sein.
Das Blockierelement 7 kann prinzipiell an jede beliebige Stelle, d.h. an den Anfang oder das Ende des Stapels oder zwischen den Einzelelektroden der Funkenstrecke positioniert werden.
Dabei ist eine mittige Anordnung eine besonders bevorzugte Variante, da hier in vorteilhafter Weise der Bereich der stärksten Erwärmung zur Dimensionierung des Blockierelements 7 genutzt werden kann.
Bei einer Ausführungsform gemäß Alternative nach Fig. 3 ist die Stromengstelle 11 z.B. in Form eines sehr einfachen Sicherungsbands und die
thermische Engstelle durch ein Lot 13 realisiert, mit welchem das Sicherungs- band an der Einzelelektrode 4 entweder direkt oder indirekt über eine thermisch und elektrisch gut leitende Zwischenlage 12 gekoppelt ist.
Die Kombination des Sicherungsbands 11 mit ausgebildetem Schmelzintegralwert und der Lotstelle 13, die sich temperatursensibel darstellt gemäß Fig. 3, besitzt den gleichen Funktionsumfang wie das Blockierelement 7 nach Fig. 2, welches dort als Einzelelement ausgeführ ist, und löst bei einer Überlastung infolge Temperaturerhöhung und/oder der Stromstärke die Schutzeinrichtung aus.
Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung benötigt aufgrund der Dimensionierung der Stapelanordnung als folgestromfreie Ausführung unter
Betriebsbedingungen kein nennenswertes Schaltvermögen im Vergleich zu bekannten Überstromschutzeinrichtungen, wodurch der Aufbau sehr einfach und die Anforderungen an das eingesetzte Material minimal sind. Damit ergibt sich eine preiswerte Ausführbarkeit und ein platzsparendes Unterbringen innerhalb der Funkenstreckenanordnung.
Nach der Auslösung der Schutzeinrichtung kann die Bewegung des
Isolationselements 8 direkt mit der Anzeigefunktion gekoppelt sein. Es ist jedoch auch eine separate Bewegung unabhängig von der Anzeigefunktion möglich. Eine separate Bewegung, wie in Fig. 4 dargestellt, besitzt den Vorteil, dass der Bewegungsweg verkürzt und damit notwendige Kräfte minimiert werden können.
Wenn eine Funkenstrecke in einen Fail-Open-Zustand versetzt wird, muss zusätzlich auch eine gegebenenfalls vorhandene Steuer- und Zündhilfe 6 in einen sicheren Zustand überführbar sein.
Eine Möglichkeit hierfür besteht gemäß Fig. 5a darin, dass z.B. bei einer Positionierung des Blockierelements 7 und des Isolationselements 8
beispielsweise im Randbereich der Funkenstrecke der Stromanschlusspfad 14 der Steuer bzw. Zündhilfe 6 der Schutzeinrichtung für die im Hauptstrompfad befindliche Funkenstrecke nachgeordnet ist und somit automatisch durch die im Fehlerfall vorgeordnete Trennstrecke vom Netz getrennt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Stromversorgung der Steuer- bzw. Zündhilfe 6 über einen Pfad zu realisieren, welcher bei der Bewegung des Isolationselements oder der damit gekoppelten Anzeige sicher unterbrochen wird. Dies kann mittels Trennschneider, Klemmkontakt oder Durchgangskontakt erfolgen. Hierzu sei auf die Fig. 5b verwiesen. Eine derartige Lösung ist leicht
umzusetzen, da die Steuer- bzw. Zündhilfe 6 bei Normalfunktion und ohne elektrische Anzeigen nur eine geringe Strombelastung erfährt und diesbezüglich nur im Fehlerfall größere Ströme auftreten können.
Gemäß dem Vorstehenden wird bei Bewegung des Isolationselements 8 zum Schutz der Funkenstrecke in den beschriebenen Fällen auch der Pfad der Steuer- bzw. Zündhilfe 6 in einen Fail-Open-Zustand versetzt. Dabei erfolgt gleichzeitig die Betätigung einer Anzeige bzw. das Ausbilden einer
Fernmeldung.
Falls ausschließlich Fehler im Bereich der Steuer- bzw. Zündhilfe 6 auftreten und keine zwangsweise Aktivierung des Fail-Open-Zustands der gesamten Überspannungsschutzeinrichtung erfolgen soll bzw. nicht realisiert wurde, ist eine separat tätige Schutzeinrichtung für die Steuer- bzw. Zündhilfe, welche ebenfalls eine Anzeige- und gegebenenfalls auch Fernmeldefunktion ausübt, sinnvoll.
Für eine derartig weiterführende Ausführungsform wird nach Fig. 6 zur
Realisierung vorgeschlagen, in der elektrischen Zuleitung 16 der Steuer- bzw. Zündhilfe 6 eine elektrische Sicherung 15 einzubinden, welche bei elektrischer Überlast durch einen Fehlerfall die elektrische Verbindung unterbricht.
Die elektrische Sicherung kann so ausgeführt werden, dass sie auch rein thermisch, z.B. durch die Wahl des Schmelzleitermaterials oder einer
Schmelzleiterkontaktierung bzw. -Verbindung auslösen kann, so dass hier eine Thermosicherung gebildet wird. Die Unterbrechung der elektrischen
Verbindung kann zu einer mechanischen Anzeige 10 mittels isolierendem Schieber oder vorgespanntem Element weitergeleitet werden. Im einfachsten Fall wird hier ein Schieber durch den elektrischen Schmelzleiter der Sicherung während normaler Betriebsbedingungen blockiert und beim Auftreten eines Fehlerfalls die Herstellung einer definierten Trennstelle freigegeben. Die Anzeige des Fehlerzustands einer Platine für die Steuer- bzw. Zündhilfe kann auch unabhängig von der Funktion des Isolationselements 8 in Form z.B. einer Kennmeldersicherung, einer Sicherung mit Schlagbolzen oder auch einer thermisch sensiblen Kontaktstelle erfolgen. Neben den erläuterten
mechanischen Anzeigen sind auch elektrische Anzeigen realisierbar.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 wird parallel zu einer Überstromsicherung 15 für die Steuer- bzw. Zündhilfe 6 ein mechanisch vorgespannter Auslöser 19 gehalten. Zur Befestigung des Auslösers 19 kann beispielsweise ein Draht 20 mit geringer Nennstromstärke genutzt werden. Der Draht 20 befindet sich elektrisch parallel zur Überstromsicherung und wird beim Auslösen der
Überstromsicherung ebenfalls unterbrochen.
Das beispielhafte Auslöseelement 19 ist über eine Feder 9 vorgespannt und befindet sich in einem Stützelement 18. Die Fixierung des Drahts 20 erfolgt mit Hilfe eines temperatursensiblen aktiven Elements 7. Dieses Material steht in direktem thermischen Kontakt mit einer der Elektroden 4 der Funkenstrecke bzw. es erfolgt eine thermische Wärmeeinkopplung über einen geringen thermischen Gradienten, z.B. mit Hilfe eines thermisch gut leitenden
Isolationsteils 17. Eine für die Funktionsweise notwendige Luftstrecke zwischen den beiden Einzelelektroden 4, welche das Isolationsteil 17
einschließen, ist über eine geeignete Aussparung im oberen Drittel des
Isolationsteils realisiert.
Die Anzeige eines fehlerhaften Zustands der Steuer- bzw. Zündhilfe 6 erfolgt durch die elektrische Überlastung der Sicherung 15 und des elektrisch parallelen Haltedrahts 20. Bei einer rein thermischen Überhitzung der
Stapelanordnung wird die Befestigung des Haltedrahts 20 thermisch durch die Übertemperatur an den Elektroden 4 der Funkenstrecke 1 ausgelöst. Es wird dann das thermisch leitfähige Isolationsteil 17 freigegeben und zur
Realisierung einer eingebrachten Isolationsstrecke genutzt. In beiden Fällen erfolgt eine Anzeige und/oder Fernmeldung durch die Kopplung mit dem Auslöser 19.
Prinzipiell kann auch, wie in Fig. 8 gezeigt, eine Kennmeldersicherung oder eine Sicherung 15 mit Anzeigeblättchen 21 Verwendung finden. Der Signaldraht oder aber auch der gesamte Schmelzleiter können hierbei innerhalb der Sicherung mit einem entsprechend abgestimmten temperatursensiblen aktiven Element 7 befestigt werden. Die Sicherung kann mit dem aktiven Element 7 direkt thermisch und elektrisch gut leitend oder wärmegekoppelt an den Elektroden 4 befestigt sein. Bei einer geeigneten
Ausführungsform kann somit die Anzeigefunktion sowie die elektrische
Kontaktierung 14 der Steuer- oder Zündhilfe 6 mit einem einzigen Bauteil 15 realisiert werden. Die Anzeige bzw. Fernmeldefunktion ist hierbei mit dem Anzeigeblättchen bzw. dem Kennmelder 21 der Sicherung gekoppelt.
Die vorgestellten Ausführungsformen der Life-time-control überwachen insbesondere die Auswirkungen von Überlasten auf die Temperatur oder die Strombelastung im Überspannungsabieiter. Es können jedoch ergänzend auch andere physikalische Wirkungen zur Beurteilung der Schädigung bzw. zur Überwachung des Fehlerzustands genutzt werden.
Durch zu hohe Impulsstromüberlasten oder Beschädigungen an den
Einzelteilen der Stapelfunkenstrecken kann der mechanische Zustand der gesamten Anordnung gefährdet sein. Infolge einer Spaltbildung oder durch Verschiebung der Einzelkomponenten kann es zu Fehlfunktionen und
Gefährdungen beim Ansprechen der Überspannungsschutzeinrichtung kommen. Falls solche Fehler nicht über die Erwärmung oder den Energieeintrag durch Impulsstoßströme im ausreichenden Maß abgebildet werden können, kann eine rein mechanische Überwachung erfolgen.
Eine diesbezügliche Möglichkeit hierzu zeigt Fig. 9. Bevorzugt wird die gesamte Stapelanordnung unter einer mechanischen Federvorspannung mit Hilfe der Feder 22 gehalten. Der impulsstromtragfähige Kontakt wird über eine Gleitverbindung, z.B. den Spiralfederkontakt, eine flexible Verbindung oder einen Balg in technisch bekannter Weise realisiert.
Ein zusätzliches oder das bereits vorhandene Isolationselement 8 (siehe hierzu auch Fig. 5) wird so zwischen den einzelnen Stapelteilen gelagert, dass bei einem Nachlassen der Federvorspannung des Stapels eine Auslösung
unabhängig von der Erwärmung bzw. der energetischen Belastung erfolgt. Die Lockerung des Stapels infolge der Druckbelastung der Funkenstrecke bei Impulsstoßströmen im Nennbereich liegt unterhalb der Auslösegrenze dieser Vorrichtung. Die definierte Auslösung der Anordnung bei einer Lockerung des Stapels kann durch eine Gegenfeder 23 im Bereich des Isolationselements bzw. Schiebers 8 unterstützt werden.
Die mechanische Schädigung der Kontaktanordnung kann auch zur mangelhaften Kontaktierung der Bauteile der Steuer- bzw. Zündhilfe 6 führen. In diesem Fall kann es zur Funkenbildung bei der eigentlichen Normalfunktion des Abieiters kommen, was zu einer prinzipiellen Überschlagsgefährdung des Abieiters führt. Diese Funkenbildung wird gemäß einem Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines Licht- oder Strahlungssensors überwacht. Das hierbei erhaltene Signal kann zur gezielten Überstromauslösung der vorhandenen Sicherung genutzt werden, wodurch die Steuer- bzw. Zündhilfe in den erläuterten Fail- Open-Zustand versetzbar ist. Ebenso kann eine Anzeige und optional eine Fernmeldung vorgenommen werden und die somit ungesteuerte Funkenstrecke mit erhöhtem Schutzpegel weiterhin als Backup-Schutz am Netz verbleiben.
Mit Hilfe der vorgestellten Ausführungsbeispiele ist ersichtlich, wie eine
Einführung eines Isolationselements ohne nennenswertes Eigenschaltvermögen dazu geeignet ist, eine folgestromfreie Funkenstrecke in einen definierten Fail- Safe-Zustand zu überführen, und zwar bei thermischer, adiabatischer und/oder mechanischer Überlastungsgefahr. Dabei kann ausschließlich die Steuer- bzw. Zündhilfe in einen Fail-Open-Zustand, aber auch der gesamte Überspannungsabieiter in einen solchen Zustand versetzt werden. Die vorgestellte
Zustandskontrolleinrichtung besitzt keinen eigenen Energiebedarf und ist somit störungsresistent. Die Bewegung des Isolationselements kann mit der
Anzeigefunktion gekoppelt, aber auch unabhängig von dieser ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste
1 Funkenstrecke
2 Gehäuse
3 Anschlusselektroden
4 Elektroden
5 isolierende und hochohmige Distanzstücke
6 Steuer bzw. Zündhilfe
7 aktives Element bzw. Blockierelement Isolationselement
Zug- bzw. Druckfeder
Strompfad zur Anzeige
Stromengstelle / Sicherungsband
Zwischenelektrode
thermisch sensibles Verbindungselement
Strompfad zur Steuer- bzw. Zündhilfe
Sicherung
elektrischer Anschluss der Sicherung thermisch gut leitendes Isolationselement
Stützelement
bewegliches Anzeigeelement / Auslöser
Draht
Kennmelder
Druckfeder
Gegenfeder

Claims

Patentansprüche
1. Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten, in einer Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, welche durch isolierende oder hochohmige Distanzstücke voneinander beabstandet sind, und die unter üblichen Betriebsbedingungen nahezu folgestromfrei ist, wobei die Einzelfunkenstrecken Elektroden aufweisen und äußere Anschlusselektroden vorgesehen sind, sowie weiterhin mit Steuerelementen zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über der Stapelanordnung und/oder ausgebildet als Zündhilfe,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen zwei benachbarten Elektroden der Einzelfunkenstrecken ein mechanisch vorgespanntes Isolationselement einschieb- oder einschwenkbar ist, um im Störungs- oder Überlastfall den Hauptstrompfad der Funkenstrecke zu unterbrechen.
2. Funkenstrecke nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Isolationselement von mindestens einem als Strom- und/oder thermische Engstelle ausgebildeten Blockierelement arretiert und im Störungs- oder Überlastfall freigegeben ist.
3. Funkenstrecke nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Blockierelement im Hauptstrompfad befindlich ist, aus einem stromtrag- fähigen elektrisch leitfähigen Material besteht und eine Schmelztemperatur von <400°C aufweist.
4. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Blockierelement und/oder das Isolationselement mit einer
Störungsanzeige in Verbindung steht oder eine derartige Anzeige auslöst.
5. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Blockierelement aus einer Reihenschaltung eines Sicherungsbands und einer Lotmenge besteht.
6. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Elektroden teilweise eine Isolationsbeschichtung aufweisen.
7. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das vorgespannte Isolationselement unmittelbar oder mittelbar im Auslösefall gleichzeitig den Stromanschlusspfad zu den Steuerelementen mechanisch zerstört oder trennt.
8. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der elektrischen Zuleitung zur Steuer- oder Zündhilfe selbst eine elektrische Sicherung eingebracht ist, welche bei elektrischer Überlast die
Stromverbindung unterbricht.
9. Funkenstrecke nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Sicherung als Thermosicherung ausgebildet ist.
10. Funkenstrecke nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Unterbrechung der Sicherung mechanisch signalisiert wird.
11. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
an eine der Elektroden eine Kennmeldersicherung angeschlossen ist, wobei der Strom für die Zündung oder zur Spannungsverteilung über diese Sicherung führt sowie weiterhin die Verbindung zwischen der Elektrode und der
Sicherung über ein leitfähiges, thermisch sensibles Mittel, insbesondere ein Lot erfolgt.
12. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die gesamte Stapelanordnung unter Federvorspannung steht, wobei bei Nachlassen der Federspannung das Isolationselement den Hauptstrompfad unterbricht.
13. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Blockierelement über jeweils eine elektrische und thermisch leitende Zwischenlage in einer zweiteiligen oder zwischen zwei Einzelelektroden angeordnet ist.
14. Funkenstrecke nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Blockierelement an einer der Elektroden formschlüssig befestigt ist.
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