DE10025239A1 - Teil- oder vollgekapselte Funkenstreckenanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine teil- oder vollgekapselte Funkenstreckenanordnung mit mindestens zwei Elektroden und einem zwischen den Elektroden bestehenden kammerartigen Hohlraum zur Ausbildung eines druckerhöhenden Lichtbogens im Überschlagsfall, wobei das Volumen des kammerartigen Hohlraums dynamisch innendruckabhängig veränderbar ist und hierfür mindestens eine der von der Kapsel aufgenommenen Elektroden beweglich und/oder elastisch nachgiebig gelagert oder befestigt ist bzw. ein Teil der im kammerartigen Hohlraum befindlichen Kapsel einen beweglichen und/oder elastischen nachgiebig gelagerten Abschnitt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine teil- oder vollgekapselte Funken­ streckenanordnung mit mindestens zwei Elektroden und einem zwischen den Elektroden bestehenden kammerartigen Hohlraum zur Ausbildung eines druckerhöhenden Lichtbogens im Überschlags­ fall, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem deutschen Patent 196 55 119 C2 ist eine Funken­ streckenanordnung mit zwei Elektroden bekannt, die im Innenraum eines druckfesten Gehäuses angeordnet sind.

Zur Verbesserung des Netzfolgestrom-Löschvermögens ist das Volumen des Innenraums so bemessen und auf die Höhe des zu erwartenden Netzfolgestroms abgestimmt, daß durch den Licht­ bogen des Netzfolgestroms eine kurzzeitige Druckerhöhung um ein Vielfaches des atmosphärischen Drucks gegeben ist. Zum lang­ samen Abbauen des Überdrucks oder Angleichen des Innendrucks an den atmosphärischen Druck sind weiterhin im Gehäuse Kanäle kleinen Querschnitts ausgebildet. Bevorzugt ist die Funken­ streckenanordnung nach DE 196 55 119 C2 mit einem zylindrischen Gehäuse versehen, wobei an den Stirnflächen Deckelelemente zur druckdichten Kapselung vorhanden sind.

Mit der vorstehend beschriebenen Funkenstreckenanordnung gelingt es, die auf den Lichtbogen zurückzuführende Drucker­ höhung auszunutzen, so daß das Löschverhalten im Bereich der bevorzugten Niederspannungs-Applikationen verbessert ist. Die Begrenzung von Netzfolgeströmen erfordert jedoch recht hohe Lichtbogenspannungen und damit eine im allgemeinen große Lichtbogenlänge. Im Gegensatz hierzu können Impulsströme, d. h. sogenannte eingeprägte Ströme, durch technisch realisierbare Lichtbogenspannungen nicht oder nicht ohne weiteres begrenzt werden. Hohe Lichtbogenspannungen und Trennstreckenlängen führen bei Impulsströmen zu erhöhten Energieumsätzen und schwer beherrschbaren Belastungssituationen der Funkenstrecken.

Zur Lösung dieses Problems wurden Funkenstrecken mit Hornab­ leitern oder Funkenstrecken mit infolge der Stromkräfte sich auseinander bewegenden Elektroden, elektrodynamisch bewegten oder elektrothermisch bewegten Elektroden vorgeschlagen. Bei­ spielsweise sei hier auf die EP 0 917 265 A1, EP 0 793 318 A1 oder DE 38 29 650 A1 verwiesen.

Die zitierten Lösungen erfordern jedoch komplizierte, aufwendige, platzraubende und daher recht kostenintensive Konstruktionen.

Aus der DD 279 120 A1 ist weiterhin ein Überspannungsableiter mit einer Ausblasöffnung bekannt, wobei die Ausblasöffnung mit einer auf einer Feder druckkraftgelagerten Kugel verschlossen ist. Eine solche druckkraftbelastete Kugel dient allerdings lediglich als Berstschutz im Fall eines Druckanstiegs über einen maximalen Wert hinaus.

Aus dem Vorstehenden ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte teil- oder vollgekapselte Funkenstreckenan­ ordnung mit mindestens zwei Elektroden und einem zwischen den Elektroden bestehenden kammerartigen Hohlraum zur Ausbildung eines druckerhöhenden Lichtbogens im Überschlagsfall anzugeben, wobei mit einer derartigen Anordnung einerseits die Beherr­ schung großer Impulsströme und andererseits die Begrenzung und Abschaltung möglichst hoher Netzfolgeströme in Wechsel- und Gleichstromnetzen möglich sein soll. Hierbei soll eine effek­ tive Begrenzung der Netzfolgeströme das Ansprechen von Netz­ schutzelementen, wie z. B. Leistungsschaltern, Leitungsschutz­ schaltern oder Sicherungen verhindern, wodurch die Versorgungssicherheit der angeschlossenen Verbraucher nur minimal beeinträchtigt wird.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen­ stand gemäß den Merkmalen nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht demgemäß darin, den bei der Zündung eines Lichtbogens in einer teil- bzw. vollständig gekapselten Funkenstrecke entstehenden Druck einerseits zur Verlängerung der Lichtbogenstrecke und andererseits zur Ver­ richtung mechanischer Arbeit zu nutzen. Hierbei wird die gegebene explosionsartige Erwärmung und Ausdehnung des Gases innerhalb eines geschlossenen Volumens bzw. eines Volumens mit begrenztem Stoffaustausch infolge der Lichtbogeneinwirkung nutzbar gemacht. Die Geschwindigkeit und das Maß der Drucker­ höhung kann zusätzlich durch gasabgebende Stoffe unterstützt werden. Letztendlich entsteht durch die sich ausbildende Plasmaströmung infolge der Druckunterschiede eine zusätzliche Krafteinwirkung auf eine beweglich ausgebildete Elektrode bzw. einen beweglichen Teil der Kapselung.

Durch die vorgeschlagene bewegliche Elektrode bzw. den beweg­ lichen Kapsel- oder Kammerteil besteht die Möglichkeit, die Funktionalität von Funkenstreckenableitern zu erhöhen. Es paßt sich nämlich erfindungsgemäß die Trennstreckenlänge quasi automatisch an die jeweilige Belastungssituation an. Anderer­ seits ist bei kleinem Hohlraumvolumen im Ruhezustand ein direkter, verzögerungsfreier Anpassungszustand an die jeweilige Belastung gegeben. Die Verbindung zwischen variabler Trenn­ streckenlänge und Belastungsanpassung erfolgt über die unmit­ telbar an die Funkenstrecke eingebrachte Energie. Als Dämp­ fungsfaktoren können ganz gezielt im Sinne von Zeitverzöge­ rungsgliedern die gegebene Wärmekapazität des Gases und der Umgebung sowie die mechanische Trägheit der beweglichen Teile genutzt werden.

Der Grundgedanke elastisch beweglicher Elektroden oder Teile der Kapselung bzw. der Brennkammerwände dient nicht nur zur Drucksteuerung respektive Entlastung und Lichtbogenverlän­ gerung, sondern auch zur Nachführung von Abbrandmaterial und/oder von Hilfselektroden, d. h. der Sicherung einer Langzeitstabilität des Verhaltens der Funkenstrecke. Weiterhin können die beweglichen Elektroden zum Ausgleich des Elektrodenabbrands im Sinne einer Erhöhung der Lebensdauer und zur Gewährleistung eines gleichbleibenden Ansprechverhaltens genutzt werden. Letztendlich besteht die Möglichkeit, den beweglichen Teil der Elektroden und/oder Brennkammerwand als Schalterteil, z. B. zum zeitweisen Kurzschließen der Funkenstreckenanordnung zu nutzen.

Grundsätzlich gilt es also, das Volumen des kammerartigen Hohlraums dynamisch innendruckabhängig zu verändern, wobei hierfür mindestens eine der von der Kapsel aufgenommenen Elek­ troden beweglich und/oder elastisch nachgiebig gelagert oder befestigt ist oder mindestens ein Teil der den kammerartigen Hohlraum bildenden Kapsel einen beweglichen und/oder elastisch nachgiebig gelagerten oder befestigten Abschnitt aufweist.

Bei einer Ausführungsform ist mindestens eine der Elektroden beweglich ausgeführt, wobei die bewegende Kraft primär aus dem stromproportionalen Druckanstieg innerhalb der teil- bzw. vollständig gekapselten Funkenstreckenanordnung generierbar ist.

Der sich ergebende Vorteil bei Impulsbelastungen besteht darin, daß die bewegliche Elektrode infolge der Massenträgheit erst nach dem Abklingen des Impulses bewegt wird. Die Lichtbogen­ spannung und der Energieumsatz innerhalb der Funkenstrecke bleiben bei Impulsbelastungen daher vergleichsweise gering. Andererseits wird die Druckbelastung der festen Bauteile der Funkenstrecke durch die Beweglichkeit der Elektrode reduziert. Dies ermöglicht geringere Volumina des Hohlraums und ein schnelleres Ansprechen der beweglichen Elektrode bei Netz­ folgeströmen.

Bei Netzfolgeströmen wird nämlich durch die Bewegung der Elek­ trode der Lichtbogen verlängert, d. h. es erhöht sich die Lichtbogenspannung stark, wodurch eine rasche und effektive Begrenzung der Ströme möglich ist. Der Fehlerstrom wird weiterhin rasch auf Null geführt und der Lichtbogen kann erlöschen. Auf diese Weise ist ein unerwünschtes Ansprechen von Kurzschlußstrom-Schutzeinrichtungen des Netzes vermeidbar. Da die Kurzschlußdauer auf wenige ms begrenzt bleibt, ist die Störbelastung an den Verbrauchern auf ein Minimum reduziert.

Weiterhin kann erfindungsgemäß durch eine spezielle Gestaltung der Elektroden der Lichtbogen eingeschnürt, aber auch beblasen werden. Der im Vergleich zu einer frei ausblasenden Funken­ strecke hier recht hohe Druck in der Brennkammer bewirkt neben einer Erhöhung der Lichtbogenspannung auch nach Strom Null eine hohe Spannungsfestigkeit der Trennstrecke, wodurch ein Wieder­ zünden vermieden werden kann.

Da die bewegliche Elektrode zur Dämpfung z. B. gegen eine Feder läuft, wird mit Hilfe der Federkraft bei allen Strombelastungen ein erhöhter Druck im Brennraum sichergestellt. Dieser gegebene erhöhte Druck, der sich auch nach dem Stromnulldurchgang erst relativ langsam abbaut, gewährleistet nach Strom Null eine größere Trennstreckenlänge bezogen auf den Ausgangszustand, so daß auch dies zu einer Reduzierung der Gefahr des Wiederzündens führt.

Weiterhin kann erfindungsgemäß die Gegenkraft bzw. der Gegen­ druck, welcher durch die Feder des oder der beweglichen Teile aufgebracht wird, zur Entionisierung der Lichtbogen- oder Gas­ strecke genutzt werden. Bei einer dementsprechend gewählten Gestaltung der Trennstrecke besteht die Möglichkeit, den Gegendruck der Feder zur Erzeugung einer Gasströmung zu nutzen, die nach Strom Null und dem damit verbundenen Druckabfall beim Verlöschen des Lichtbogens im Trennstreckenbereich für einen Wie bereits erwähnt, kann eine der beweglichen Elektroden oder ein beweglicher Kammerteil so ausgeführt werden, daß ein Ver­ richten zusätzlicher mechanischer Arbeit möglich ist. Auf diese Weise können z. B. Zustandsanzeigen, Signalgeber oder Auslöse­ mechanismen von z. B. Schaltgeräten betätigt oder angetrieben werden. Selbstverständlich liegt es im Sinne der Erfindung, daß die übertragene Kraft auch direkt zum Betätigen eines Schalt­ geräts nutzbar ist. Anwendungen ergeben sich z. B. im Bereich von Sicherungseinrichtungen der Bahn, z. B. zur Fehlerortung. So können hier gezielt Wartungshinweise gegeben werden. Auch kann in Überspannungs-Schutzeinrichtungen für z. B. Mobilfunkanlagen auf diese Weise eine leichte Diagnose der Schutzeinrichtungen erfolgen und eine Möglichkeit der Direktausschaltung im Sinne des Personenschutzes gegeben sein.

Bei Funkenstrecken, bei denen maximal erreichbare Lichtbogen­ spannungen nicht erwünscht sind bzw. bei denen die Licht­ bogenspannung nicht durch die unmittelbare Erhöhung der Lichtbogenlänge zu vergrößern ist, können die genannten Funktionen auch mit Hilfe eines nicht in den eigentlichen Stromkreis eingebundenen beweglichen Bolzens realisiert werden. Dabei kann der Bolzen direkt im Brennraum, aber auch in einem benachbarten Druckausgleichsraum oder in einem Ausströmkanal bei teilgekapselten Funkenstreckenanordnungen angeordnet werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform besteht die Möglichkeit, die bewegte Elektrode als Hilfselektrode zur Triggerung oder zum Ausbilden einer Gleitfunkenstrecke zu nutzen. Die Beweglichkeit einer derartigen Hilfselektrode bietet gegenüber feststehenden Elektroden deshalb Vorteile, da die negativen Auswirkungen des nicht zu vermeidenden thermischen Abbrands reduzierbar sind. Bei beweglichen Hilfselektroden wird nämlich die Abbrandbe­ lastung dadurch reduziert, daß sich die Elektrode nach dem Zünden des Lichtbogens aus dem unmittelbaren Brennraum heraus bewegt. Durch Kombination der Beweglichkeit mit einer Feder und einem definierten Anschlag der Elektrode kann die gegebene Abbrandlänge ausgeglichen werden.

Durch die Variabilität des kammerartigen Hohlraums bzw. der Brennkammer infolge der Verwendung von beweglichen Teilen können also insgesamt die hohen Druckanstiege bei Impulsbe­ lastungen beherrscht werden. Das Volumen der Kammer oder des Hohlraums verhält sich also strom- bzw. druckproportional durch die auftretende dynamische Druckanpassung. Es liegt also der erfindungsgemäße Ansatz in der Schaffung einer druckabhängig volumenvariablen Kammer, innerhalb der der Lichtbogen zündet und brennt.

Hierdurch kann das ursprüngliche Brennraumvolumen im Vergleich zum Stand der Technik reduziert werden, so daß das Schaltver­ halten und die Strombegrenzung bei Netzfolgeströmen verbessert ist, da die Anfangs-Lichtbogenspannung bei kleineren Abmes­ sungen infolge des rascheren Druckanstiegs und einer effi­ zienteren Kühlung erhöht wird.

Eine solche Anordnung erlaubt auch insbesondere bei gasabge­ benden oder gasenden Stoffen einen höheren Abbrand an den Isolierwänden und damit eine effektivere Kühlung, da das Material durch die gegebene Beweglichkeit nachgeführt wird. Somit bleiben die Ausgangsabmessungen des Brennraums bei gleichen Überschlagstrecken konstant auch über eine längere Lebensdauer im Vergleich zu festen Anordnungen, bei denen nach jeder Belastung der Brennraum in unerwünschter Weise sich verändert, insbesondere vergrößert, wodurch sich das Schalt­ verhalten und die Lebensdauer unerwünscht verschlechtern.

Auch der Einsatz von beweglichen Hilfselektroden führt sowohl zu einer Drucksteuerung im Brennraum als auch zu einer automa­ tischen Anpassung des Brennraumvolumens nach gegebener Be­ lastung der Funkenstrecke. Eine solche Funktion wird auch von beweglichen Brennraumwänden erfüllt, die nicht als Hilfselek­ trode wirken. Erfindungsgemäß können sämtliche räumlichen Begrenzungen der Kammer bzw. des Brennraums, aber auch nur Teile hiervon beweglich ausgeführt sein.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß die vorliegende Erfin­ dung gerichtet auf das Prinzip eines druckabhängig dynamisch veränderbaren Brennraum- oder Kammervolumens auch für weitere Funkenstrecken-Ausführungsformen übernommen werden kann, welche durch eine andere Elektrodenkonfiguration, z. B. nach Art von Hörnerableitern, gekennzeichnet sind.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der Funkenstrecke mit beweg­ licher Elektrode und der Möglichkeit der Über­ tragung einer Kraft hin zu einem Schalt- oder Betätigungsglied;

Fig. 2a, b Funkenstrecken mit einem in oder an der Kammerwand gelagerten beweglichen Bolzen und getrennt hiervon ausgeführten Elektroden;

Fig. 3 Funkenstrecken mit beweglicher Elektrode, welche neben der gewünschten gezielten Verlängerung des Lichtbogens auch eine Einschnürung und Aufteilung desselben realisiert;

Fig. 4a, b Ausführungsformen einer Funkenstrecke mit varia­ blem Brennraum zur gezielten Druckerhöhung sowie der Möglichkeit des unmittelbaren Auslösens eines Schaltvorgangs über Teile der Elektroden; und

Fig. 5 eine Funkenstrecke mit einer beweglichen Hilfs­ elektrode zur Impulsstrombeherrschung bei redu­ ziertem Brennraumvolumen, wobei die Möglichkeit besteht, abbrandbedingten Materialverlust aus­ zugleichen.

Bei den Funkenstreckenanordnungen der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ist ein Außengehäuse 1 vorgesehen, das eine feste Elektrode 2 sowie eine bewegliche Elektrode 3 iso­ liert aufnimmt.

Nach Fig. 1 ist die bewegliche Elektrode 3 über eine Öffnung im Außengehäuse 1 und eine stiftartige Verlängerung 4 geführt, wobei die stiftartige Verlängerung 4 eine Schraubenfeder 5 aufnimmt, die sich gegen ein Teil der Innenwandung des Außen­ gehäuses 1 und den Elektrodenkopf 6 abstützt.

Die stiftartige Verlängerung 4, die durch das Außengehäuse 1 hindurch tritt, kann als Zustandsanzeige, aber auch zum Betä­ tigen oder zur Funktionsauslösung eines Schaltglieds (nicht gezeigt) Verwendung finden.

Die seitlichen Bereiche des Elektrodenkopfs 6 sind mit Hilfe einer Dichtung 7 zur Innenseite des Außengehäuses abgedichtet.

Beim Auftreten einer Überspannung wird die elektrische Festig­ keit der Trennstrecke zwischen der festen Elektrode 2 und der beweglichen Elektrode 3 überschritten. In diesem Fall kommt es zu einem Gleitüberschlag und es bildet sich ein Lichtbogen 8 aus. Der Lichtbogen 8 erwärmt das Gas im Brennraum 9 sehr stark, wobei dies zu einer Druckerhöhung führt. Übersteigt dann die Kraft auf die bewegliche Elektrode 3 die Gegenkraft der Schraubenfeder 5, beginnt sich die Elektrode 3 von der festen Elektrode 2 weg zu bewegen. Dies wiederum führt zu einer Ver­ größerung des Brennraums 9, der Länge des Lichtbogens 8 und damit zur Erhöhung der Lichtbogenspannung.

Bedingt durch die Massenträgheit der beweglichen Elektrode 3 kommt es erst nach dem Abklingen des Impulsstroms mit einer Zeitdauer von wenigen µs zur Elektrodenbewegung. Die Licht­ bogenspannung, die Lichtbogenenergie und die Belastung der Funkenstrecke können daher während der Stoßstrombelastung klein gehalten werden. Bei dem anschließenden, aber vergleichsweise langsam ansteigenden Netzfolgestrom mit einer Zeitdauer von mehreren ms wird die Elektrode 3 mit einer hohen Beschleunigung bewegt und es kann durch die rasche Verlängerung der Licht­ bogenlänge der Strom begrenzt werden. Wie erwähnt, ist die stiftartige Verlängerung aus dem Außengehäuse 1 herausgeführt, so daß mechanische Arbeit verrichtet werden kann. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist die bewegliche Elektrode 3 bzw. die stiftartige Verlängerung potentialbehaftet. Denkbar sind jedoch auch potentialfreie Ausführungen. In diesem Fall kann die stiftartige Verlängerung 4 als Isolierstück ausgeführt sein. Eine elektrische Kontaktierung der beweglichen Elektrode 3 außerhalb der Funkenstrecke kann dann durch flexible An­ schlußbänder durch Gleitkontakt oder ähnliches erfolgen. Auch besteht die Möglichkeit, den aus der Funkenstrecke herausge­ führten Teil der Elektrode koaxial aufzubauen, so daß jeweils nur der Außenmantel bzw. nur das Kernmaterial elektrisch leitfähig ist.

Nach dem Abklingen des Fehlerstroms sinkt der Druck im Brenn­ raum 9 langsam ab. Die Geschwindigkeit der Druckreduzierung ist abhängig von der Dichtheit der gesamten Funkenstrecke. Diese Geschwindigkeit kann durch die Art der Dichtung 7 und/oder durch gezielte Auslaßöffnungen oder Kanäle eingestellt werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, die Zeit für einen Druckausgleich hin zur Umgebung nach einer Belastung von wenigen ms bis hinein in den Minutenbereich vorzugeben.

Nach dem Druckabfall wird die bewegliche Elektrode 3 durch die Schraubenfeder 5 wieder in die Ausgangsposition zurückbewegt.

Im Fall einer denkbaren Verriegelung an der stiftartigen Ver­ längerung 4 kann das Zurücksetzen auch per Hand oder gesteuert erfolgen.

Das gehäuseseitige Isolationsmaterial der Trennstrecke kann durch eine Lage Isolationsmaterial sowie eine Schicht halb­ leitendes Material gebildet werden. Hierdurch verändert auch ein ungleichmäßiger Abbrand der beweglichen Elektrode 3 das Ansprechverhalten nicht. Als halbleitendes Material sind leitfähige Polymere, leitfähige Keramiken und leitfähige Glas- Keramiken einsetzbar.

Anstelle der vorgespannten Schraubenfeder 5 können auch andere geeignete elastische Materialien zum Rückführen der beweglichen Elektrode nach Abklingen des Drucks Verwendung finden.

Die Ausführungsform nach Fig. 2a zeigt Elektroden 2, welche fest am oder im Außengehäuse 1 befindlich sind.

Eine der Elektroden 2 nimmt jedoch über einen Durchbruch oder eine Öffnung einen beweglichen Bolzen 10 auf. Dieser Bolzen 10 ermöglicht das Verrichten mechanischer Arbeit infolge des Druckanstiegs im Brennraum 9 nach Überschlag der Trennstrecke 11 und sich ausbildendem Lichtbogen 8.

Die Arbeit, die ein solcher Bolzen 10 verrichten kann, ist abhängig von der Höhe des Stroms, der Stromflußdauer, der Dichtheit des Brennraums, dem Brennraumvolumen sowie dem Medium im Brennraum, den Wandmaterialien, der mechanischen Führung und weiteren Größen.

Das Einbringen des beweglichen Bolzens 10 direkt in den Brenn­ raum, die geringen Abmessungen des Brennraums 9 selbst, die geringe Masse des Bolzens 10 und eine optimale Lagerung 12 gewährleisten eine verzögerungsfreie rasche Bewegung des Bolzens auch bei geringen elektrischen Belastungen der Funken­ strecke.

Um bei extremen Belastungen durch direkte Lichtbogeneinwirkung einer sich ergebenden Gefahr der Verschmutzung mit unerwünsch­ ter Veränderung des Bewegungsverhaltens des Bolzens zu begeg­ nen, besteht, wie in der Fig. 2b gezeigt, die Möglichkeit, einen blendenartigen, strömungsleitenden Einsatz 13 vorzusehen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2b ist dem Brennraum 9 nach­ geordnet ein Druckausgleichsraum 14 befindlich. Der Einsatz 13 befindet sich im Bereich des Druckausgleichsraums 14 und führt zu einer definierten Strömung 15. Bei Druckerhöhung verändert sich das Volumen des Druckausgleichsraums 14 durch Bewegung des Bolzens 10.

Ein Vorteil der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2a und b ist die geringere Störanfälligkeit hinsichtlich einer unerwünschten Verschiebung der Ansprechspannung, da die hierfür signifikanten Teile der Anordnung selbst nicht bewegt werden. Die Funken­ strecke nach Fig. 2a kann insbesondere dort eingesetzt werden, wo hohe Lichtbogenspannungen unerwünscht sind, wie z. B. N-PE- Ableitern. Die Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 2b erlaubt hingegen auch Anwendungen, bei denen folgestrombegren­ zende Eigenschaften relevant sind; die hierfür erforderlichen hohen Lichtbogenspannungen werden durch Druckerhöhung, Kühlung und eine effektive Beblasung des Lichtbogens ermöglicht.

Nach Überschlag der Trennstrecke 11 gemäß Fig. 2b wird der Lichtbogen 8 durch die starke Gasabgabe des Trennstrecken­ materials zwischen den Elektroden 2 stark verlängert. Innerhalb des Brennraums 9 wird ein hoher Druck infolge der Aufheizung durch den Lichtbogen und die Gasabgabe des Trennstrecken­ materials bewirkt. Über den Strömungsweg 15 bzw. die dort vorgesehenen Ausgleichskanäle gelangt Gas in den Druckaus­ gleichsraum 14. Diese Druckerhöhung steht zur Verrichtung mechanischer Arbeit mit Hilfe des beweglichen Bolzens 10 zur Verfügung. Die Abdichtung des Druckausgleichsraums 14 zum Bolzen 10 erfolgt durch eine entsprechende Lagerung 12 z. B. in Form eines Gleitlagers.

Fig. 3 zeigt eine Funkenstreckenanordnung mit einer beweglichen Elektrode 3, die als Hohlelektrode ausgeführt wurde und welche federbelastet auf einem Isolierkörper 16 gleitet. Zwischen der Hohlelektrode und der Kapselwandung besteht ein Spaltraum 17, dessen Volumen in Abhängigkeit von der Elektrodenbewegung ver­ änderbar ist. Der Lichtbogen 8 gelangt mit sich aufbauender Druckerhöhung im Brennraum 9 und dem Zurückbewegen der Elek­ trode 3 in diesen Spaltraum 17 hinein. Die bewegliche Elektrode 3 nach der Ausführungsform gemäß Fig. 3 weist an ihrem aktiven Ende Vor- und Rücksprünge 18 nach Art von Zähnen zur Einhaltung des Überschlagwegs auf. Weiterhin können in der Elektrode Nuten oder Spalte 19 vorhanden sein, um dem sich aufbauenden Druck eine größere Angriffsfläche für die Bewegung der Elektrode zu bieten.

Alternativ kann eine solche größere Druckangriffsfläche auch eine entsprechend geänderte Elektrodengestaltung z. B. in Form eines einseitig geschlossenen Hohlzylinders oder durch das Einbringen geeigneter Kanäle im Isolierkörper 16 geschaffen werden.

Der aktive Teil der festen Elektrode 2 ist ringförmig ausge­ bildet, wobei der Außendurchmesser der beweglichen Elektrode geringer als der Innendurchmesser der festen Elektrode 2 ist. In Abwandlung kann auch die Elektrode 2 bewegt oder durch­ messerseitig kleiner als die aktive Fläche der Elektrode 3 ausgeführt werden.

Bewegt sich die Elektrode 3 infolge der Druckerhöhung beim Ansprechen der Funkenstrecke in Richtung des Druckausgleichs­ raums 14, wird der Lichtbogen sowohl axial als auch radial in den Spaltraum 17 gezwungen. Die den Spaltraum umgebenden Wände des Außengehäuses 1 können dabei zusätzlich gasabgebend gestaltet sein. Durch die Gasabgabe und den koaxialen Aufbau wird eine Rotation des Lichtbogens angeregt mit der Folge eines verringerten Abbrands der Elektroden. Die Kantenbereiche 20, an denen der Lichtbogen abgelenkt wird, können aus einem besonders abbrandfesten Material bestehen oder es kann ein entsprechender Einsatz dort angeordnet werden. Ebenso ist es denkbar, im Bereich der Kante 20 ein elektrisch leitfähiges Material ein­ zusetzen, wodurch eine Lichtbogenaufteilung erzwungen werden kann.

Zur Verlängerung des wirksamen Abstands zwischen den Elektroden 2 und 3 kann im Auflagebereich 21 ein halbleitendes Material eingesetzt werden bzw. eine Triggerung der Trennstrecke mit Hilfe einer dort vorgesehenen dritten Elektrode realisiert sein. Durch die vorstehend genannten Maßnahmen erhöht sich die Lichtbogenspannung und es wird die Strombegrenzung unterstützt.

Bei einer ausreichenden Bemessung des Druckausgleichsraums 14 sind sowohl lange Hubwege der beweglichen Elektrode 3 als auch eine Nachführung und Ausgleich bei gegebenem Abbrand reali­ sierbar. Die Stromzuführung zur beweglichen Elektrode 3 wird über die Halterung 22 oder ein nicht gezeigtes flexibles Band innerhalb des Druckausgleichsraums 14 realisiert.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a ist ein Brennkammerwand­ teil 23 beweglich ausgeführt, wodurch ein stromproportionales Verhalten geschaffen ist, welches sich den gegebenen Belastun­ gen anpaßt.

Das Ausgangsvolumen kann im Vergleich zu starren Anordnungen nach dem Stand der Technik klein gehalten werden, da durch die Beweglichkeit auch die Gefahr der Zerstörung der Anordnung reduziert ist. Weiterhin ergibt sich bei dem Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 4a der Vorteil, daß ein rascher Druckaufbau bei Netzfolgestrom eintritt, ein geringerer Abstand der kühlenden bzw. gasenden Wände zum Lichtbogen 8 besteht und eine einfache Nachführung des Abbrandmaterials gegeben ist. Der im Fall Strom Null noch bestehende hohe Druck, der auch durch die Gegenkraft der Schraubenfeder 5 nach dem Verlöschen des Lichtbogens nur langsam abklingt, verringert hier die Gefahr des Wiederzündens.

Durch das zusätzliche Vorsehen eines Druckausgleichsraums 14 auch bei diesem Ausführungsbeispiel bzw. eines Strömungskanals kann die unmittelbar zu Strom Null noch gespeicherte Federkraft zur aktiven Beblasung des Bereichs zwischen den Elektroden 2 genutzt werden.

Erkennbar besitzt das Brennkammerwandteil 23 in seinem unteren, vom Brennraum 9 entfernten Bereich eine stromtragfähige Kon­ taktplatte 24. Diese kann in Wechselwirkung mit Kontakten 25 an den Elektroden 2 zum Realisieren eines Kurzschlusses innerhalb der Funkenstrecke genutzt werden.

Nach dem Zünden des Lichtbogens 8 entsteht ein Überdruck im Brennraum 9, wodurch die bewegliche Brennkammerwand 23 mit der Kontaktplatte 24 gegen die Kontakte 25 gepreßt wird. In der Folge wird die Funkenstrecke kurzgeschlossen und es verlöscht der Lichtbogen. Nach Druckausgleich wird der Kontakt zwischen Kontaktplatte 24 und den Kontakten 25 an den Elektroden 2 wieder gelöst, indem die vorgesehene Schraubenfeder 5 die bewegliche Brennkammerwand bzw. das Brennkammerwandteil 23 zurückschiebt.

Es ist dafür Sorge zu tragen, daß die Materialien für die Kontaktplatte 24 und die Kontakte 25 an den Elektroden nicht oder nur gering zum Verschweißen neigen. Vorzugsweise ist hier mindestens eines der Teile 24 oder 25 aus Graphit ausgeführt.

Die vorstehende Funkenstrecke erlaubt den direkten Einsatz als selbstätigen Kurzschließer. Die Ansprechzeit dieses Kurz­ schließers kann über das Kammervolumen, den Hubweg und die Federkraft eingestellt werden. Ebenso ist die Dauer des Kurz­ schlusses im Bereich zwischen Millisekunden bis Minuten ein­ stellbar. Es sind auch Ausführungen mit einer Verriegelung denkbar.

Werden die Kontaktplatte 24 und die Kontakte 25 als Kontakt­ paare mit eigenen Durchführungen aus der Funkenstrecke gebildet, so können diese Kontakte z. B. zur Betätigung von Zustandsanzeigen von Hilfsstromkreisen, Auslösern oder ähn­ lichen Einrichtungen Verwendung finden. Eine gleiche Funktion läßt sich jedoch nicht nur mit einem bewegten Brennkammer­ wandteil realisieren, sondern ebenso direkt mit einer bewegten Elektrode, wie dies in der Fig. 4b prinzipiell dargestellt ist.

Die im wesentlichen der Anordnung nach Fig. 1 entsprechende Lösung weist zusätzlich Schaltkontake 26 auf, die innerhalb oder außerhalb der Funkenstrecke mit der festen Elektrode 2 verbunden werden können. Die bewegliche Elektrode 3 besitzt Kontakthöcker 27, die bei Druckanstieg innerhalb des Brennraums 9 unter Überwindung der Kraft der Schraubenfeder 5 mit den Schaltkontakten 26 in Berührung kommen. Für die Betätigung von separaten Hilfsstromkreisen innerhalb der Funkenstrecke ist ein isoliertes Anbringen der Schaltkontakte 26 innerhalb oder auf der beweglichen Elektrode 3 notwendig.

Eine Funkenstrecke mit vorzugsweise ringförmiger Hilfselektrode 28 zeigt Fig. 5. Dort ist zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden 2 innerhalb eines druckfesten Außengehäuses 1 die ringförmige Hilfselektrode 28 als elastisches oder teilela­ stisches Innengehäuse, den Brennraum 9 dicht umschließend, befindlich, wobei mit Druckanstieg beim Zünden des Lichtbogens 8 sich das Innengehäuse ausdehnt und der sich aufbauende Gegendruck zwischen Außengehäuse 1 und Innengehäuse bzw. ringförmiger Hilfselektrode 28 für ein Zurückbewegen der letzteren sorgt.

Die Hilfselektrode 28 kann aus einem halbleitenden Material, z. B. leitfähigen Polymeren, Keramiken, Glas-Keramiken oder Sinterstoffen bestehen.

Außenumfangsseitig ist an der Hilfselektrode 28 eine Ringfe­ derkonfiguration 29 vorgesehen, um die gewünschte Elastizität der Hilfselektrode zu sichern. Es liegt im Sinne der Erfindung, daß das Innengehäuse aus einem Isolierstoff ohne Hilfselektro­ denfunktion besteht.

In beiden vorstehend beschriebenen Fällen können die dort vorhandenen konstruktiven Teile eine passive oder auch eine aktive, d. h. gasende Kühlfunktion des Lichtbogens übernehmen. Durch die vorgesehene Beweglichkeit besteht ausreichende Sicherheit hinsichtlich eines automatischen Ausgleichs bei Abbrand. Es ist also eine effizientere Kühlung bei längeren Standzeiten gegeben. Durch das strom- bzw. druckproportionale Kammervolumen kann der minimale Durchmesser gegenüber festen Kammerwänden bei gleicher Belastung infolge der erhöhten Berstfestigkeit erheblich reduziert werden.

Bei der Anordnung nach Fig. 5 sind die Elektroden 2 feststehend ausgebildet. Der Überschlag erfolgt über das Teil 28. Der äußere Hohlraum 30 gewährleistet, wie dargelegt, bei hohen Drücken das Zurückfahren der beweglichen Teile. Die Abdichtung des äußeren Hohlraums 30 gegenüber dem Brennraum 9 erfolgt durch Dichtmittel 31. Im rechten Bildteil der Fig. 5 ist eine Ausführungsform einer nachfahrbaren beweglichen ringförmigen Hilfselektrode 28 dargestellt, welche vorzugsweise aus drei Teilringen mit einer oder mehreren Ringfedern besteht. Der Öffnungswinkel α liegt im Bereich von 1° bis 20° und bestimmt die mögliche Nachführstrecke. Ausführungsformen mit geänderter Geometrie sind ebenfalls möglich.

Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Funkenstreckenan­ ordnungen sind von ihrem Grundprinzip her auch für andere Elektrodenkonfigurationen, z. B. Hörnerelektroden, ringförmige Elektroden und koaxiale Elektroden anwendbar. Auch besteht die Möglichkeit des Kombinierens der hier gezeigten konstruktiven Varianten. Eine bevorzugte Kombination liegt im Bereich der magnetischen Beblasung, wobei zur Zwangsbewegung des Licht­ bogens, insbesondere bei langen Lichtbogendauern bzw. bei Gleichstrom, eine Abbrandreduzierung möglich ist. Ebenso kann zur Erhöhung der Lichtbogenbrennspannung eine magnetische Lichtbogeneinschnürung vorgesehen sein.

Bezugszeichenliste

1

Außengehäuse

2

feste Elektrode

3

bewegliche Elektrode

4

stiftartige Verlängerung

5

Schraubenfeder

6

Elektrodenkopf

7

Dichtung

8

Lichtbogen

9

Brennraum

10

beweglicher Bolzen

11

Trennstrecke

12

Lagerung

13

Einsatz

14

Druckausgleichsraum

15

Strömung

16

Isolierkörper

17

Spaltraum

18

Vorsprünge - Rücksprünge bzw. Zähne

19

Nuten/Spalte

20

Kantenbereiche

21

Auflagenbereich

22

Halterung

23

Brennkammerwandteil

24

Kontaktplatte

25

Kontakte an den Elektroden

26

Schaltkontakte

27

Kontakthöcker

28

ringförmige Hilfselektrode

29

Ringfederkonfiguration

30

äußerer Hohlraum

31

Dichtmittel

Claims (17)

1. Teil- oder vollgekapselte Funkenstreckenanordnung mit mindestens zwei Elektroden und einem zwischen den Elektroden bestehenden kammerartigen Hohlraum zur Ausbildung eines druck­ erhöhenden Lichtbogens im Überschlagsfall, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des kammerartigen Hohlraums dynamisch innendruck­ abhängig veränderbar ist.

2. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der von der Kapsel aufgenommenen Elektroden beweglich und/oder elastisch nachgiebig gelagert oder befestigt ist.

3. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der den kammerartigen Hohlraum bildenden Kapsel einen beweglichen und/oder elastisch nachgiebig gelagerten oder befestigten Abschnitt aufweist.

4. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die bewegliche Elektrode gegen eine vorspannbare Feder oder ein geeignetes elastisches Element abstützt.

5. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Elektrode gegen ein Außengehäuse oder gegen die umgebende Kapsel abgedichtet ist.

6. Funkenstreckenanordnung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Elektrode einen mit einer Ausnehmung versehenen Elektrodenkopf aufweist, wobei das Volumen der Ausnehmung mindestens ein Teil des kammerartigen Hohlraums ist.

7. Funkenstreckenanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Elektrode oder der bewegliche Kapselabschnitt mit einem mechanisch oder elektrisch wirkenden Schaltglied zur Zustandserkennung und/oder Funktionsauslösung verbunden ist.

8. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum einen Brennraum und einen daran anschließenden Druckausgleichsraum umfaßt, wobei die Elektroden zum Brennraum zum dortigen Zünden eines Lichtbogens führen, weiterhin im Druckausgleichsraum ein beweglicher Abschnitt, insbesondere Bolzen vorgesehen ist, wodurch bei Druckänderung das Volumen des Druckausgleichsraums variiert.

9. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Abschnitt, insbesondere Bolzen mit einem mecha­ nisch oder elektrisch wirkenden Schalt- oder Betätigungsglied verbunden ist.

10. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Brenn- und Druckausgleichsraum ein blendenartiger, strömungsleitender Einsatz angeordnet ist.

11. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Elektrode als Hohlelektrode ausgeführt ist, welche federbelastet auf einem Isolierkörper gleitet, wobei zwischen Hilfselektrode und Kapselwandung ein Spaltraum besteht, dessen Volumen in Abhängigkeit von der Elektroden­ bewegung veränderbar ist und der Lichtbogen in den spaltraum hinein brennt.

12. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper und/oder die Wandung des Spaltraums aus einem gasabgebenden Material bestehen.

13. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil der Kapsel oder Brennkammerwand feder­ kraftunterstützt gegen ein Außengehäuse gelagert ist.

14. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß am beweglichen Teil der Kapsel oder Brennkammerwand eine Kontaktbrücke zum zeitweiligen Kurzschließen der Elektroden bei Druckaufbau im Hohlraum der Brennkammer ausgebildet ist.

15. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden innerhalb eines druckfesten Außengehäuses ein elastisches oder teilelastisches Innengehäuse, den Brennraum dicht umschließend, befindlich ist, wobei mit Druckanstieg beim Zünden des Lichtbogens sich das Innengehäuse ausdehnt und der sich aufbauende Gegendruck zwischen Außengehäuse und Innengehäuse für ein Zurückbewegen des letzteren sorgt.

16. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse als hohlzylindrische, ringförmige Hilfselek­ trode, aus einem halbleitenden Material bestehend, ausgebildet ist.

17. Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß außenumfangsseitig an der Hilfselektrode Ringfedern oder dergleichen Mittel zum Gewährleisten der erforderlichen Elastizität angeordnet sind.