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Die Erfindung betrifft einen gekapselten, druckfesten Überspannungsableiter mit einer Funkenstrecke innerhalb der Kapsel, wobei diese eine rotationssymmetrische, insbesondere Zylinderform aufweist, weiterhin die Funkenstrecke zwei Elektroden und mindestens einen Isolationsabschnitt umfaßt, die Elektroden jeweils mit einer bevorzugt stirnseitig oder gegenüberliegend angeordneten, externen Stromzuführung in Verbindung stehen und die Stromzuführung einen Teil der Kapsel bildet, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 2 bzw. 23.
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Bekanntermaßen entstehen bei gekapselten Überspannungsableitern im Niederspannungsbereich, insbesondere bei hohen Blitzstoßströmen, innerhalb der Ableiter sehr hohe dynamische Drücke. Weiterhin wirken bei derartigen Belastungen große dynamische Kräfte infolge der hohen Stromstärken von bis zu 100 kA. Diese beiden Belastungsarten stellen extrem hohe Anforderungen an die mechanische Festigkeit der Ableiter.
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Hinsichtlich der geforderten Stabilität und üblicher Ableitergeometrien empfiehlt sich ein zylindrischer, im allgemeinen rotationssymmetrischer Aufbau, bei welchem der Anschluß der beiden Elektroden im Regelfall an den Stirnseiten des Zylinders erfolgt.
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Nachteilig bei den vorbekannten Anordnungen ist jedoch, daß der beim Ansprechen des Ableiters entstehende Lichtbogen zum Verharren neigt. Demnach können auch lang andauernde Lichtbögen, wie z. B. Folgestrom-Lichtbögen, nicht durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise Stromkräfte, thermodynamische Kräfte bzw. Strömungen zu einer zielgericheten Bewegung und somit zum Weglaufen vom Zündort gezwungen werden. Die Folge hiervon ist eine zu starke Aufheizung der Elektroden und der unmittelbaren Elektroden-Umgebung, so daß die Gleit- und Isolationsstrecken geschädigt werden und zudem ein erhöhter Elektrodenabbrand auftritt. Weiterhin steigt die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Wiederzündung.
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Zum Vermeiden von Wiederzündungen bzw. von Beschädigungen der Isolationsstrecke eignet sich eine räumliche und zeitliche Funktionstrennung zwischen Zünd- und Löschbereich des Lichtbogens bei Folgestrom-Belastungen. Bei Belastungen der Funkenstrecke mit Stoßströmen ist eine solche Funktionstrennung nicht möglich, da der Lichtbogen infolge seiner zu geringen Geschwindigkeit kaum vom Zündbereich oder von der Zündstelle fortbewegt werden kann.
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Bei Stoßströmen kann der Energieumsatz daher nur durch eine Begrenzung der Lichtbogenspannung, z. B. durch geringe Abstände, geringe Drücke und ähnliches beeinflußt werden. Der mögliche netzfrequente Folgestrom ist jedoch von dem thermisch stark belasteten Zündbereich schnell fortzubewegen, um dessen Wiederverfestigung zu gewährleisten.
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Die
DE 100 08 764 A1 offenbart einen gekapselten Ableiter mit Funkenhörnern, bei dem eine Funktionstrennung, wie oben erwähnt, zur Vermeidung der genannten Nachteile beschrieben wird. Zur Bewegung des Folgestrom-Lichtbogens erfolgt ein Ausnutzen der Wirkung der Lorentzkraft, wodurch sich der Lichtbogen nach seiner Zündung vom Entstehungsort infolge der auf ihn wirkenden Stromkräfte wegbewegt. Bei einer solchen Lösung ist es jedoch notwendig, die beiden Elektroden an einer Stirnseite isoliert in das Ableitergehäuse einzubringen. Neben der Einschränkung der konstruktiven Anschluß- und Gestaltungsmöglichkeiten eines solchen Ableiters reduziert dies auch die insbesondere für gekapselte Ableiter notwendige Druckfestigkeit. Darüber hinaus besteht aufgrund der isolierten Durchführung der Anschlüsse der Elektroden auf nur einer Seite des Ableiters eine erhöhte Gefährdung durch einen äußeren Überschlag.
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Bei der gattungsbildenden
DE 100 60 426 A1 ist ein gekapselter Überspannungsableiter mit mindestens einer Funkenstrecke beschrieben, wobei eine stabförmige Innenelektrode vorgesehen ist, die von einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Außenelektrode beabstandet umgeben wird. Primär geht es dort um verschiedene Mittel zur Unterteilung bzw. zur Kühlung des Lichtbogens.
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Hinsichtlich der
DE-PS 870 439 und der
WO 98/10498 ist es vorbekannt, bei einer definierten Elektrodengestaltung innerhalb einer Funkenstrecke zu erreichen, dass der fließende Strom in eine solche Richtung gezwungen wird, dass infolge des Stromflusses ein Magnetfeld entsteht, welches die Bewegung des Lichtbogens beeinflusst.
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Bezüglich der Ausnutzung des Eigenmagnetfelds zur Bewegung eines Lichtbogens bei Schalteinrichtungen sei auf die
EP 0 793 317 A1 verwiesen.
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Die
DE 42 37 284 A1 offenbart eine Anordnung mit mehreren Überspannungsableitern, wobei dort separate ausblasende Ableiter gezeigt sind, bei denen die Zuführungen zu den einzelnen Ableitern so ausgestaltet wurden, dass entstehende Lichtbögen vom Ableitergehäuse weggedrückt werden. Die notwendigen Umlenkungen zur Erzeugung der Kraftkomponenten auf den Lichtbogen entstehen allein durch die Führung der Anschlußleitungen.
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Bezüglich der
FR 1 203 455 ist anzumerken, daß die dortige Elektrodenausführung geeignet ist, die Richtung der Kraftwirkung auf den Lichtbogen zu ändern. Sobald der Lichtbogen die Kanten der Elektroden erreicht hat, wird er, anstatt weiter radial nach außen gedrängt zu werden, wieder in Richtung Zentrum der vorhandenen Scheiben gedrückt, wodurch ein vollständiges Hinauslaufen aus dem ausblasenden Ableiter und somit ein unerwünschter Außenüberschlag vermeidbar ist.
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Eine Parallelschaltung eines Gasableiters und eines Varistors über eine Hilfselektrode ist aus der
DE 43 31 215 A1 vorbekannt. Dabei besitzt die Hilfselektrode das gleiche Potential wie die Elektrode und ist daher nicht geeignet, als Zündhilfe zu dienen.
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Bei dem Gasentladungsschalter nach
DE 42 18 479 A1 wird an dem äußeren und somit vom Entladungsbereich isolierten Gehäuse, ähnlich wie bei Gasableitern üblich, eine Hilfselektrode zur Verzehrung des Potentialfelds angelegt. Diese Hilfselektrode wird mit einem bestimmten Potential beaufschlagt. Die Hilfselektrode selbst befindet sich nicht im Lichtbogenbrennraum und ist auch nicht in der Lage, für eine erste Enladung im Brennraum zu dienen.
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Löschbleche für ein Niederspannungs-Schaltgerät sind aus der
DE 44 39 730 C2 vorbekannt.
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Ebenfalls bekannt ist es, Hörnerelektrodenpaare eines Ableiters mit Elektrodenstapeln mit einer parallelen Zündhilfe zu versehen. Die z. B. in der
GB 1,038,049 hierfür vorgeschlagenen Hilfselektroden dienen allerdings ausschließlich der Vorionisation. Durch die dortige Anordnung der Hilfselektroden auf entgegengesetzten Seiten eines Isolationsmaterials ist auch kein nennenswerter Stromfluß denkbar.
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Gemäß der
DE 195 06 057 A1 besteht die Möglichkeit, durch konstruktive Ausgestaltung einer Löschfunkenstreckenanordnung zu verhindern, daß ein Lichtbogen auf in der Funkenstreckenanordnung vorhandene Prallplatten gelangt.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten gekapselten, druckfesten Überspannungsableiter mit einer Funkenstrecke innerhalb der Kapsel anzugeben, der Elektroden-Anschlüsse aufweist, die jeweils bevorzugt von einer Stirnseite zuführbar sind und bei dem in besonders vorteilhafter Weise die an sich bekannte Wirkung der Lorentzkraft auf den gezündeten Lichtbogen ausgenutzt wird, um den Lichtbogen von der Entstehungsstelle fortzubewegen und in eine Löschstellung zu überführen.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Überspannungsableiter gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, 2 oder 23, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Demnach wird innerhalb eines Überspannungsableiters dafür Sorge getragen, daß die Stromflußrichtung vor der Isolationsstrecke oder dem Zündbereich mindestens um 90°, bevorzugt um 180° geändert wird.
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Bei einem zylindrischen Körper des Überspannungsableiters ist die Funkenstrecke so ausgebildet, daß die Bewegungsrichtung des Lichtbogens parallel zur Zylinderachse erfolgt, wobei der Lichtbogen senkrecht zur Zylinderachse zündet. Die Stromzuführung erfolgt innerhalb der Funkenstrecke bis auf den Umlenkungsbereich parallel zur Zylinderachse.
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Durch die beschriebene interne Stromrichtungsumkehr innerhalb einer bevorzugt zylindrischen Funkenstrecken-Anordnung mit stirnseitigen axialen Stromzuführungen kann einerseits die hohe Druckfestigkeit und die hohe Festigkeit gegenüber dynamischen Stromkräften einer solchen Anordnung bei gleichzeitiger Verringerung der Isolationsstrecken-Belastung infolge der schnellen, von der Isolationsstrecke weg gerichteten Bewegung des Lichtbogens genutzt werden. Andererseits kann durch die Bewegung des Lichtbogens und die thermische Entlastung der Zündstelle der Elektrodenverschleiß reduziert werden. Letzteres wirkt sich wiederum positiv auf die Reproduzierbarkeit der Ansprechspannung der Funkenstrecke und auf das Wiederzündverhalten der Funkenstrecke bei Folgestrom-Belastungen aus. Durch die Stromzuführung der Elektroden an nur jeweils einer der Stirnseiten kann die Gefahr eines äußeren Überschlags, selbst bei starker Verschmutzung oder feuchter Umgebung, gering gehalten werden.
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Die gewünschte Umkehr der Stromflußrichtung erfolgt durch eine Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr oder Stromrichtungsänderung innerhalb der Kapsel des Überspannungsableiters oder eine stromrichtungsumkehrende oder stromrichtungsändernde Ausbildung mindestens einer der Elektroden.
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Bei einer ersten Ausführungsform wird von einer stabförmigen Innenelektrode mit einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Außenelektroden-Anordnung ausgegangen, wobei die Außenelektrode zur Innenelektrode diese beabstandet und umgebend ausgebildet ist. Die Innenelektrode weist einen axialen Verlauf auf und die Außenelektrode besitzt an ihrer Innenseite die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr, welche als leitfähiger ringförmiger Körper, Gitter oder Hohlzylinder ausgebildet ist. Dieser leitfähige ringförmige Körper, das Gitter oder der Hohlzylinder ist mit der Außenelektrode nur am stromzuführungsseitig entfernten Ende elektrisch kontaktiert, wobei der Lichtbogen nach Zündung im Ableitfall im wesentlichen senkrecht zur Achse der Innenelektrode brennt und sich parallel zu dieser Achse von der Zündstelle weg bewegt. Der leitfähige ringförmige Körper, welcher nunmehr die Funktion der Gegenelektrode übernimmt, ist dabei von der Außenelektrode beabstandet. Dieser Abstand kann gleichverlaufend, aber auch von der Zündstelle ausgehend variabel gewählt sein.
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Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist eine stabförmige Innenelektrode von einer im wesentlichen rotationssymmetrischen Außenelektrode beabstandet umgeben, wobei die Innenelektrode einen axialen Verlauf aufweist und die Innenelektrode die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr umfaßt. Diese Einrichtung ist wiederum als leitfähiger, ringförmiger Körper, Gitter oder Hohlzylinder ausgebildet, der mit der Innenelektrode nur am stromzuführungsseitig abgewandten Ende kontaktiert ist. Auch hier befindet sich der Ring in einem radialen Abstand zur Innenelektrode.
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Die Außenelektrode kann bei einer wesentlichen Ausführungsform der Erfindung eine Topfform aufweisen, wobei der offene Teil des Topfes den Isolationsabschnitt aufnimmt, welcher die Innenelektrode trägt. Zur Triggerung bzw. zum Steuern des Zündverhaltens kann über den Isolationsabschnitt eine Hilfselektrode eingebracht werden.
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Eine ergänzende Ausgestaltung bezüglich der Anordnung der Hilfselektrode ist derartig realisiert, daß am offenen Teil des Topfes der Außenelektrode ein umlaufender Isolationsrand mit nachgeordneter Hilfselektrode befindlich ist. Diese Hilfselektrode springt bezogen auf den Isolationsrand radial zurück. Die Hilfselektrode kann ringförmig, d. h. rotationssymmetrisch gestaltet werden. Alternativ sind ein oder mehrere stiftförmige Hilfselektroden, radial nach innen gerichtet, im Sinne der Erfindung liegend.
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Weiterhin ausgestaltend wird wiederum von einer Außenelektrode in Topfform ausgegangen, wobei bevorzugt im stromzuführungsseitig entfernten Ende eine gegen die Elektrode isolierte Hilfselektrode mit separater Stromzuführung innerhalb des Topfes vorgesehen ist. Diese Hilfselektrode kann als Stiftelektrode ausgeführt werden.
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Bei einer Variante mit Aufteilung des Lichtbogens zur Vervielfachung der Sofortverfestigung ist zwischen Innen- oder Außenelektrode und der jeweiligen Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr eine axial verlaufende Hülse aus einem abbrandfesten Material angeordnet, welche über einen hochohmigen Bereich als Einsatzstück im Isolationsabschnitt mit der Innen- oder Außenelektrode elektrisch verbunden ist.
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Die erwähnte Hülse kann aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Alternativ ist die Hülse als Trennwand ausgebildet und besteht aus einem Widerstandsmaterial, metallisierten leitfähigen Polymeren oder aus Materialien mit nichtlinearem Strom-/Spannungsverhalten.
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Die Einrichtung zur Aufteilung des Lichtbogens kann auch in Lichtbogen-Bewegungsrichtung von der Zündstelle beabstandet, d. h. nicht bis zur Zündstelle herunterreichend ausgeführt werden.
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Die Hülse für die Aufteilung des Lichtbogens besitzt bevorzugt an ihrem zur Zündstelle gerichteten Ende Einlaufschlitze oder Einlauföffnungen. Zur Unterstützung der Lorentzkraftwirkung auf den Lichtbogen kann die Hülse aus einem ferromagnetischen Material bestehen.
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Der Abstand zwischen Innen- und Außenelektrode in Lichtbogen-Bewegungsrichtung kann konstant, aber auch kontinuierlich oder diskontinuierlich vergrößert sein.
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Die Elektroden und/oder die Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr weisen bei einer Ausführungsform an ihren zur Lichtbogen-Brennseite gerichteten Oberflächen mindestens abschnittsweise Ansatzstrukturen zur Beschleunigung der Laufbewegung des Lichtbogens auf. Diese Ansatzstrukturen können Rillen, Vor- und Rücksprünge in Laufrichtung über den gesamten Umfang der Elektrode oder ähnliche Strukturen sein. Auch besteht die Möglichkeit, Materialien mit einer inneren Strukturierung, z. B. einer Faserstruktur oder ein orientiertes Verbundmaterial einzusetzen.
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Zwischen der Innen- oder Außenelektrode und der jeweiligen Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr können insbesondere Wände eingebracht werden, welche in Lichtbogen-Laufrichtung orientierte Kammern bilden. Diese Kammerwände bestehen bevorzugt aus einem gasabgebenden Isolationsmaterial. Die Kammerwände wiederum umfassen Durchbrechungen oder Schlitze.
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Mit Hilfe der Kammern ist eine beschleunigte Bewegung des Lichtbogens bei gleichzeitiger verbesserter Kühlung erreichbar. Eine derartige Anordnung führt zu quasi mehreren parallelen Funkenstrecken innerhalb ein und desselben Ableiters. Zum Druckausgleich und zur Erzeugung gewünschter paralleler Lichtbögen, insbesondere bei großen Stoßströmen, sind die Wände wie vorerwähnt quer zur Laufrichtung durchbrochen oder weisen Schlitze auf.
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Die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr kann eine sogenannte aufgeteilte Elektrode sein, die sich vom stromzuführungsfernen Ende als Stab, Scheibe oder Wand zur gegenüberliegenden Elektrode erstreckt bzw. richtet und dann im wesentlichen parallel zur Längsachse dieser gegenüberliegenden Elektrode verläuft.
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Eine ergänzende Ausführungsform der Erfindung geht von zwei Elektroden aus, die im wesentlichen gegenüberliegend und rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Die jeweilige stirnseitige Stromzuführung ist im wesentlichen axial und im Zentrum der jeweiligen Elektrode befindlich. Die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr ist radial außen an der jeweiligen Elektrode angeschlossen und verläuft dann zunächst axial in Richtung zur gegenüberliegenden Elektrode und dann abgewinkelt in Richtung zur Längsachse der Anordnung. Eine derartige Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr kann als leitfähiger Finger, aber auch als Kreisring oder Kreisringsegment ausgeführt werden.
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Die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr in Kreisringform oder in Kreisringsegmentform weist zwischen dem Kreisring oder dem Kreissegment und der jeweiligen Elektrode mindestens einen leitfähigen Verbindungssteg im radialen Außenbereich auf. Auch besteht die Möglichkeit, mehrere, benachbarte Kreissegmente vorzusehen, welche jeweils einen elektrischen Verbindungssteg zur radialen Außenseite der jeweiligen Elektrode besitzen.
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Die zueinander weisenden Oberflächen der Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr besitzen von radial außen nach radial innen einen sich vergrößernden Abstand zum Zwecke des sicheren Verlöschens des Lichtbogens.
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Die vorstehend erläuterte Ausführungsform ist ebenso zur Aufnahme einer Zünd- oder Triggerhilfselektrode geeignet. Eine solche Hilfselektrode ist bevorzugt radial außenseitig zwischen den Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr angeordnet.
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Im freien, zentrischen Mittelpunktsbereich besitzt diese Ausführungsform eines Überspannungsableiters in axialer Richtung verlaufend Prallbleche zur Aufteilung des Lichtbogens oder mindestens eine Lichtbogen-Kühleinrichtung.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
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1a, 1b eine erste Ausführungsform der Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr innerhalb eines Überspannungsableiters;
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2a bis 2c verschiedene Ausführungsformen der Anordnung von Hilfs- oder Triggerelektroden bei einem Überspannungsableiter mit Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr;
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3 eine Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr und Mitteln zur Aufteilung des Lichtbogens;
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4 eine Darstellung ähnlich 3, jedoch mit einer Einrichtung zur Aufteilung des Lichtbogens, die entfernt von der Lichtbogen-Zündstelle angeordnet ist;
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5 eine Schnittdarstellung eines Überspannungsableiters mit zwischen Innenelektrode und Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr angeordneter Trennwand;
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5 Querschnitt 1: eine Darstellung eines Schnitts entlang der Schlitze oder Durchbrechnungen;
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5 Querschnitt 2: eine Darstellung entlang der in 5 (Gesamtansicht) gezeigten Schnittlinie;
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6 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit einer Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr als aufgeteilter Elektrode im Längsschnitt bzw. im Querschnitt;
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7a bis 7c verschiedene Ausführungsformen von Querschnitten prinzipiell möglicher Elektrodenanordnungen;
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8 eine Ausführungsform des Überspannungsableiters mit Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr ausgehend von der topfförmigen Außenelektrode, wobei der Außenanschluß seitlich erfolgt, und
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9 eine Schnittdarstellung durch einen Überspannungsableiter mit im wesentlichen rotationssymmetrischen, gegenüberliegenden Elektroden und einer im Inneren vorgesehenen jeweiligen Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr, die radial außen an der jeweiligen Elektrode angeschlossen ist und dann axial in Richtung zur gegenüberliegenden Elektrode und abgewinkelt zur Längsachse der Anordnung verläuft.
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Bei den Überspannungsableitern der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele wird von einer Grundanordnung ausgegangen, die jeweils zwei Elektroden, gegebenenfalls mit Hilfselektrode aufweist.
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Die Außenelektrode 4 nach 1a besitzt eine Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr 4.1. Die Form der Außenelektrode 4 ist topfförmig gewählt und es ist ein im stirnseitigen Bereich ausgebildeter äußerer Ableiteranschluß 2 vorhanden.
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Die Innenelektrode 3 ist direkt mit dem weiteren äußeren Ableiteranschluß 1 verbunden.
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Die Zündung der Funkenstrecke erfolgt zwischen den Elektroden 3 und 4 bzw. der Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr 4.1 und entlang der Isolationsstrecke 5. Der sich ausbildende Lichtbogen 5 wird infolge der auf ihn wirkenden Lorentzkräfte F von der Zündstelle im unteren Bereich weggedrückt und in der gezeigten Darstellung nach 1a, b nach oben fortbewegt.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1b ist hier die Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr 3.1 ausgehend von der Innenelektrode 3 realisiert.
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Der Verlauf der Stromrichtungsumkehr ist mit den Pfeildarstellungen symbolsiert.
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In den 1a und 1b wird deutlich, daß die Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr 3.1 und 4.1 jeweils einen Abstand in radialer Richtung, entweder betrachtet von der Innenelektrode 3 oder von der Außenelektrode 4, die einen Teil der Kapselung darstellen kann, besitzen.
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Eine Ausgestaltung der Lösung gemäß Ausführungsbeispiel nach 1a mit Hilfselektrode 7 zeigt die Schnittdarstellung nach 2a. Die dortige Hilfselektrode 7 ist über den Isolationsabschnitt 5 in den Zündbereich der Anordnung hineingeführt.
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Alternativ kann die Hilfselektrode 7, wie in der 2b dargestellt, auch isoliert zur Elektrode 4 mit Hilfe eines Isolationsrands oder Isolationsstreifens 13 als umlaufender Ring eingebracht werden.
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2c wiederum offenbart eine Darstellung mit Ausführung einer Hilfselektrode 7 im Randbereich hin zur offenen Seite der topfförmigen Elektrode 4, und zwar als Stiftelektrode, die gegenüber der Elektrode 4 isoliert ist.
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Bei der Lösung nach 2b ist, wie ausgeführt, die Hilfselektrode 7 isoliert und axial der Elektrode 4 nachgeordnet, wobei der Zündfunke der Triggerung beim Überschlag der Isolation 13 die gegenüberliegende Haupt- bzw. Innenelektrode 3 nahezu berührt, wodurch geringe Triggerverzugszeiten realisierbar sind. Die Hilfselektrode kann bei den Ausführungsformen nach 2a und 2b rotationssymmetrisch, z. B. als Ring ausgeführt werden. In 2c ist eine Variante gezeigt, bei welcher z. B. aus Platzgründen oder aber auch zur Realisierung eines minimalen Elektroden-Abstands, die Hilfselektrode 7 isoliert durch die Elektrode 4 geführt ist, wobei hier eine stiftförmige Ausführung der Hilfselektrode bevorzugt ist.
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An Funkenstrecken für Netzanwendungen werden wegen der hohen Tragfähigkeit von Stoßströmen auch hohe Anforderungen hinsichtlich des Verhaltens bei Netzfolgeströmen gestellt. So sollen Netzfolgeströme von bis zu mehreren Kiloampere sicher gelöscht und begrenzt werden. Eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Folgestromlöschung ist eine schnelle Wiederverfestigung der Schaltstrecke nach dem natürlichen Stromnulldurchgang bei Wechselspannung. Im Niederspannungsbereich ist im allgemeinen eine sogenannte Sofortverfestigung ausreichend. Bei dem Einsatz von Materialien mit geringem Abbrand, wie sie bei Funkenstrecken üblich sind, sinkt die Sofortverfestigung jedoch mit der Zunahme des Folgestroms stark ab. Es sind daher insbesondere bei sehr leistungsfähigen Funkenstrecken zusätzliche Maßnahmen zur Erhöhung der Wiederverfestigung notwendig. Auch ist dann, wenn der Folgestrom begrenzt werden soll, eine Erhöhung der Lichtbogenspannung bis in den Bereich der Netzspannung notwendig.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem zur Verbesserung der Wiederverfestigungsspannung die Aufteilung des Lichtbogens zum Zeck der Verdoppelung der Sofortverfestigung unmittelbar bei seiner Zündung zwischen den beiden Elektroden erfolgt. Zur Vereinfachung der Darstellung erfolgt die Aufteilung hier nur in zwei Teillichtbögen, wobei eine darüber hinausgehende Aufteilung möglich ist.
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Die Isolationsstrecke 5 wird bei diesem Ausführungsbeispiel zur Realisierung der Ansprechspannung genutzt. Die Strecke oder der Abschnitt 8 besteht aus einem elektrisch leitendem Material, z. B. POM, welches jedoch so hochohmig ist, daß es vom Lichtbogen überschlagen werden muß. Die Kammerwand 9 besteht bevorzugt aus einem abbrandfesten Material.
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Auch bei dieser Ausführungsform kann eine Hilfselektrode zur Triggerung vorgesehen sein, die beispielsweise analog der Darstellung nach 2a durch die Isolationsstrecke 5 geführt wird.
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Zur Verbesserung der Lichtbogen-Bewegung können die eingesetzten abbrandfesten Metallwände auch aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Soll neben der gewünschten Wiederverfestigung des Lichtbogens vor alter auch der Spannungsabfall erhöht werden, können die Wände aus einem Widerstandsmaterial, aus metallisierten leitfähigen Polymeren, aber auch aus Materialien mit nichtlinearem Strom/Spannungsverhalten, z. B. Kalt- oder Heißleiter, gefertigt werden.
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4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die im Niederspannungsbereich übliche Aufteilung des Lichtbogens in Teillichtbögen erst nach einer bestimmten Laufstrecke des Lichtbogens innerhalb der Funkenstrecke des Überspannungsableiters vorgenommen wird. Ein Ring 10 wird hierbei bevorzugt aus ferromagnetischem Material gefertigt und ist mit Einlaufschlitzen 10.1 versehen, wodurch die Aufteilung des Lichtbogens unterstützt wird.
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Zum Erzielen einer Erhöhung der Lichtbogenspannung, z. B. zur Folgestrombegrenzung, können mehrere Ringe 10 gemäß 4a aus Löschblechen oder aus Isolationsstoffen vorgesehen sein, wodurch eine Kühlung und damit Verlängerung des Lichtbogens bewirkt wird. Eine weitere Verlängerung des Lichtbogens außerhalb der Zündstelle kann dadurch erreicht werden, daß der Abstand zwischen den beiden Elektroden 3 und 4 in Laufrichtung des Lichtbogens steigt bzw. vergrößert wird.
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Zur Reduzierung der Belastung an der Überschlagsstelle ist eine schnelle Bewegung des Lichtbogens von der Zündstelle von Vorteil. Neben der Stromrichtungsumkehr kann die Bewegung des Lichtbogens durch weitere Maßnahmen unterstützt werden. Zur Beschleunigung der Laufbewegung des Lichtbogens ist es von Vorteil, dem Lichtbogen innerhalb des rotationssymmetrischen Gehäuses an den Elektroden bevorzugte Ansatzbereiche anzubieten. Dies kann durch einfache Rillen in Laufrichtung über den gesamten Umfang der Elektroden erfolgen. Auch können Materialien mit einer inneren Strukturierung, wie z. B. Faserstruktur, Knetlegierung oder ein orientiertes Verbundmaterial, zum Einsatz kommen.
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Eine beschleunigte Bewegung des Lichtbogens bei gleichzeitiger Kühlung wird erreicht, wenn z. B. zwischen rotationssymmetrischen Elektroden mit Hilfe von bevorzugt gasenden Isolationsmaterialien mehrere spaltenförmige Kammern in Laufrichtung gebildet werden. Bei einer solchen Anordnung entstehen praktisch mehrere parallele, quasi Funkenstrecken innerhalb des Ableiters.
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Zum Druckausgleich und zur Erzeugung von parallelen Lichtbögen, insbesondere bei großen Stoßströmen, können die in den 5 gezeigten Wände 11 quer zur Laufrichtung Durchbrechungen 11.1 besitzen.
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Während bei kleinen Stoß- und Folgeströmen jeweils nur eine der gebildeten Kammern vom Lichtbogen genutzt wird, können insbesondere bei hohen Stoßströmen die parallelen Funkenstrecken gezündet werden, wodurch gerade bei diesen hohen Druck- und Strombelastungen eine gleichmäßige Belastung innerhalb des gesamten Ableiters erreicht wird. Zu den Ausführungsformen mit Isolationsstegen sei auf die 5 verwiesen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Beschleunigung der Laufbewegung ist die vollständige oder teilweise Hinterlegung der Elektroden mit ferromagnetischem Material 12 (siehe auch 5, Querschnitt 2), welches eine Verstärkung der Lorentzkraft bewirkt. Zur Unterstützung der Bewegung des Lichtbogens kann auch die Stirnseite der Funkenstrecke, zu welcher sich der Lichtbogen bewegt, mit ferromagnetischem Material hinterlegt sein. Durch das ferromagnetische Material wird eine Bündelung und Konzentration der Feldlinien erreicht, wodurch eine anziehende Wirkung auf den Lichtbogen gegeben ist.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Elektroden bzw. die Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr nicht rotationssymmetrisch ausgeführt sind. Dies reduziert zum einen den Bedarf an hochwertigem Elektrodenmaterial und die Einzelelektroden haben eine Reduzierung des Abbrands bei Folgestrombelastung zur Folge.
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6 – Querschnittsdarstellung – zeigt vier Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr, quasi als Einzelelektroden 14.
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Hier können nahezu beliebig viele Einzelelektroden 14 aus einer bzw. auch aus beiden Elektroden gebildet werden, wodurch, wie vorerwähnt, der Abbrand bei Folgestrombelastung auf die einzelnen Elektroden verteilt ist.
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Bei Belastungen mit Stoßströmen hingegen können mit oder ohne Unterteilung durch Trennwände alle Teilelektroden 14 aktiviert und damit genutzt werden. Aufgrund der Strombündelung in den Teilelektroden 14 wird das Magnetfeld im Vergleich zu rotationssymmetrischen Elektroden deutlich verstärkt, wodurch die Bewegung des Lichtbogens von der Überschlagsstelle weg beschleunigt werden kann. Um diese Wirkung weiter zu unterstützen, kann auch die innere Elektrode 3 über eine Kontur verfügen, aus einzelnen Teilelektroden bestehen oder aber als Hohlelektrode ausgeführt werden.
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Die Einteilung in einzelne Lichtbogenkammern kann bei einer derartigen Gestaltung zudem leichter erfolgen und des weiteren sind größere Freiheitsgrade und Gestaltungsmöglichkeiten zur Einbringung von Hilfselektroden, von ferromagnetischem Material oder aber von gasabgebenden Isolationsmaterialien möglich. Die 7a bis 7c zeigen einige beispielhafte Querschnitte von prinzipiell möglichen Elektrodenanordnungen. Zur Begrenzung der Lichtbogenwanderung kann grundsätzlich oberhalb der beiden Elektroden, d. h. am Ende des Lichtbogen-Laufwegs, eine Prallplatte vorgesehen sein.
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8 zeigt eine Ausführungsform des Überspannungsableiters mit Einrichtungen zur Stromrichtungsumkehr ausgehend von der Außenelektrode 4, bei welcher eine Elektrode direkt über den äußeren Mantel der Funkenstrecke angeschlossen wird. In dieser Ausführungsform braucht nur ein Anschluß isoliert durch die Stirnseite geführt zu werden, wodurch sich insbesondere bei Funkenstrecken ohne Hilfselektrode eine Kostenreduktion bei der Fertigung einstellt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Beispiel nach 9 erfolgt die Stromzuführung zu den Elektroden jeweils axial von den Stirnseiten 100, 20. Innerhalb der beiden gezeigten Elektroden wird, mit der Pfeildarstellung symbolisiert, der Strom zunächst radial nach außen geführt. Im äußeren Bereich ist eine Hilfselektrode 70 zur Triggerung vorhanden. Der in diesem Bereich gezündete Lichtbogen 60 bewegt sich aufgrund der Stromkräfte in Richtung der zentralen Achse.
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Die stromrichtungsumkehrend ausgebildeten Elektroden 30 und 40 werden beispielsweise gemäß den 5 bis 7 als Finger oder Spiralelektrode ausgestaltet oder besitzen eine Kreisring- oder Kreissegmentform. Eine solche Ausführungsform hat mehrere Vorteile. Bei netzfrequenten Folgeströmen wird die magnetische Beblasung des Lichtbogens durch die erhöhte Feldstärke im Fußpunktbereich verstärkt, wodurch eine beschleunigte Bewegung des Lichtbogens erreichbar ist. Bei großen Impulsbelastungen besitzen die benachbarten Finger das gleiche Potential und es kann sich der Lichtbogen auf mehrere der Finger aufteilen, wodurch der Abbrand deutlich reduziert werden kann.
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Im zentralen Bereich der Funkenstrecke nach 9 können Prallbleche 80 zur Aufteilung des Lichtbogens, aber auch Anordnungen zur Kühlung des Lichtbogens z. B. nach 4 Verwendung finden. Ebenfalls können massive Abbrandelektroden, wie in 2 dargestellt, eingebracht werden, auf welche der Lichtbogen übergeben werden kann. Des weiteren sind entsprechend der Ausführungsbeispiele nach den 3 und 7 Lichtbogen-Abbrandringe oder ähnliche Anordnungen einsetzbar, auf denen sich der Lichtbogen beträchtlich bewegt, wodurch der Abbrand reduziert werden kann.
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Wie dargelegt, ist die Elektrodenausführung nach 9 so gewählt, daß diese eine Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr bilden, welche radial außen an der jeweiligen Elektrode angeschlossen ist, dann axial in Richtung zur gegenüberliegenden Elektrode sowie abgewinkelt zur Längsachse der Anordnung verläuft.
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Allen vorstehend geschilderten Ausführungsbeispielen, die den Grundgedanken der Erfindung nicht einschränken, ist gemein, daß innerhalb eines Überspannungsableiters die Stromflußrichtung vor der Isolationsstrecke bzw. im Zündbereich um mindestens 90°, jedoch vorteilhafter um 180° geändert wird. Auf diese Weise ergibt sich eine optimierte Wirkung der Lorentzkraft auf den gezündeten Lichtbogen. Die Bewegungsrichtung des Lichtbogens erfolgt parallel zur Längs- bzw. Zylinderachse, wobei der Lichtbogen senkrecht zu vorerwähnten Achse zündet. Durch diese Stromrichtungsumkehr ergibt sich eine reduzierte Isolationsstrecken-Belastung infolge der schnellen, von der Isolationsstrecke weg gerichteten Bewegung des Lichtbogens.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- äußere Ableiteranschlüsse
- 3
- Innenelektrode
- 3.1
- Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr an der Innenelektrode
- 4
- Außenelektrode
- 4.1
- Einrichtung zur Stromrichtungsumkehr an der Außenelektrode
- 5
- Isolationsstrecke
- 6
- Lichtbogen
- F
- Lorentzkraft
- 7
- Hilfselektrode
- 8
- Abschnitt
- 9
- Kammer
- 10
- Ring
- 10.1
- Einlaufschlitze
- 11
- Wände
- 11.1
- Durchbrechungen in den Wänden
- 12
- ferromagnetisches Material
- 13
- Isolationsrand
- 14
- Einzelelektroden
- 20, 100
- axiale, stirnseitige Stromzuführung
- 30, 40
- stromrichtungsumkehrend ausgebildete Elektroden
- 60
- Lichtbogen
- 70
- Hilfselektrode
- 80
- Prallblech
