EP1992051B1 - Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische hochleistungsfunkenstrecke - Google Patents

Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische hochleistungsfunkenstrecke Download PDF

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EP1992051B1
EP1992051B1 EP07726631A EP07726631A EP1992051B1 EP 1992051 B1 EP1992051 B1 EP 1992051B1 EP 07726631 A EP07726631 A EP 07726631A EP 07726631 A EP07726631 A EP 07726631A EP 1992051 B1 EP1992051 B1 EP 1992051B1
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EP
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electrode
main
spark gap
trigger electrode
main electrodes
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Stephan Hierl
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Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel
    • H01T4/12—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel hermetically sealed
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
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    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel

Definitions

  • the invention relates to an encapsulated, pressure-resistant executed, non-hermetically sealed, fundamental constructionally rotationally symmetrical high-performance spark gap with two spaced opposite main electrodes, a metallic outer casing with an end crimping, at least one trigger electrode, a discharge space and preferably frontally arranged electrical connection contacts for the main electrodes according to the preamble of the claim.
  • surge arresters on the basis of spark gaps according to the prior art, these are designed to be encapsulated in applications in the low-voltage range in order to avoid the environment-threatening blowing out of hot or even ionized gases.
  • the arresters are provided with additional triggering devices.
  • a trigger device requires isolation of the additional, generally loaded with high voltage further electrode.
  • the additional expenditure of space and the additional insulation materials also lead to a further limitation of the performance of such realized arrester.
  • the potential of the ignition electrode is also supplied via the pressure-resistant metallic shell of the spark gap.
  • the local pressure-resistant jacket is made of one piece and it is used for the preparation of a simple forming process.
  • the waiver of an insulated implementation of the ignition potential leads in this variant, however, to an additional burden of insulation in the interior of the spark gap, since both electrodes must be isolated not only against each other, but also with respect to the entire housing.
  • the complex and voltage-resistant insulation in particular, the heat output from the spark gap This leads to an increased thermal load on the insulating parts, to long cooling times and to an enormous limitation of the space available for the spark gap. All of these disadvantages ultimately limit the performance of the spark gap.
  • the solution after EP 1 542 323 A also includes a discharge space and preferably arranged on the front side electrical connection contacts for the main electrodes and main electrode embedding and Zentrier stresses for mechanically fixing the main electrodes to each other and with respect to the outer housing.
  • the contacting of the trigger electrode by means of insulated wire or preferably a band-shaped conductor which is inserted in a gap-shaped space between an outer side of one of the main electrodes and the associated side of the main electrode embedding and centering body.
  • the outer terminal end of the conductor is accessible in the region of the front-side terminal of the respective main electrode and the inside, stripped end of the conductor is in electrical connection with the trigger electrode.
  • the preferably used band-shaped conductor is located in the gap-shaped space and conforms to the outer contour of the main electrode with deformation, no additional grooves or the like in the main electrode embedding and centering are necessary.
  • the main electrode embedding and centering based on the material of the band-shaped conductor or the respective main electrode has a lower hardness and a certain elasticity, sufficient mechanical stability and tightness even in the area of the laid band-shaped conductor care is taken.
  • connection between the trigger electrode and the stripped end of the band can be realized by clamping, soldering, welding, but also by gluing.
  • the already contacted trigger electrode is then further processed during assembly with the existing connector, i.
  • the stack arrangement of the first main electrode embedding and centering body with the first main electrode located there, the body with the trigger electrode and then the opposite, second main electrode is formed.
  • the main electrode embedding and centering body surrounding the second main electrode accommodates the band-shaped conductor.
  • the crimping of the metallic outer housing takes place in each case in the end region of the overall arrangement, so that there is an extremely pressure-stable and fixed spark gap.
  • the substantially rotationally symmetrical high-performance spark gap according to the figure has two opposing main electrodes 2 and 3.
  • These main electrodes 2, 3 have a T-shape in cross-section, the leg of the T extending in the axial longitudinal direction having an external electrical connection, e.g. in the form of a threaded hole.
  • main electrode embedding and centering 4 and 5 the main electrodes 2 and 3 with respect to the outer housing 1, which preferably consists of metal held.
  • a trigger electrode 6, which may be designed, for example, disk-shaped with through-hole, extends with its inner sides as far as the discharge space 7 or into it.
  • the trigger electrode 6 is fixed via an insulating body 6a relative to the outer housing 1 and the two main electrodes 2 and 3 in their position.
  • the outer housing 1 On the peripheral side, the outer housing 1 has a flange in order to give the overall arrangement the necessary pressure resistance.
  • the main electrode embedding and centering body 5 is made isolated.
  • a pulse voltage-resistant thin band 8 is guided between the parts that are necessary anyway for the spark gap to the trigger electrode 6 and contacts this.
  • the necessary connection between the trigger electrode 6 and the stripped end of the band 8 can be done by clamping, soldering, welding, but also by an adhesive connection.
  • the preferably used band 8 has the advantage over a wire that due to the small thickness of the band 8 from one to a few tenths of a millimeter no special processing or grooves in the relevant parts of the spark gap, in particular the main electrode embedding and centering 5 are introduced which does not create any additional requirements from a technological point of view.
  • the inserted tape prepares prior to attaching the main electrode embedding and centering body 5 with respect to the associated main electrode 3 no difficulties.
  • a further advantage of the invention is that almost all components or assemblies can be used both for a design of a spark gap without as well as with triggering, so that reduce the expenses relating to the production of individual parts and storage.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse mit stirnseitiger Bördelung, mindestens einer Triggerelektrode, einem Entladungsraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs.
  • Bei Überspannungsableitern auf der Basis von Funkenstrecken gemäß dem Stand der Technik werden diese bei Anwendungen im Niederspannungsbereich gekapselt ausgeführt, um das die Umgebung gefährdende Ausblasen von heißen oder noch ionisierten Gasen zu vermeiden.
  • Bei zum älteren Stand der Technik gehörenden ausblasenden Ableitern wird der größte Teil des Energieumsatzes bis ca. 90% in Form von heißem Gas an die Umgebung abgegeben. Es ist offensichtlich, dass durch das Vermeiden des Ausblasens bei modernen Funkenstrecken sowohl die thermische als auch die dynamische Belastung ansteigt. Diese steigenden Belastungen erschweren bei gekapselten Ableitern die notwendige Beherrschung hoher Impuls- und Folgeströme bei möglichst geringer Baugröße.
  • Zur Realisierung niedriger Schutzpegel im Bereich weniger kV werden die Ableiter mit zusätzlichen Triggereinrichtungen versehen. Eine solche Triggereinrichtung erfordert eine Isolation der zusätzlichen, im allgemeinen mit Hochspannung belasteten weiteren Elektrode. Der Mehraufwand an Bauraum und die zusätzlichen Isolationsmaterialien führen ebenfalls zu einer weiteren Einschränkung der Leistungsfähigkeit derartig realisierter Ableiter.
  • Gemäß der DE 100 08 764 A1 und der dort gezeigten gekapselten Funkenstrecke ist es bekannt, das Triggerpotential über die metallische Gehäuseummantelung der Funkenstrecke zuzuführen. Die dort vorgesehenen Hauptelektroden werden isoliert gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse in die Funkenstrecke eingebracht. Aufgrund der geringen Lichtbogenlänge und der nur einfachen Aufteilung des Lichtbogens kann mit dieser Lösung des Standes der Technik jedoch nur eine geringe Folgestrombegrenzung erreicht werden.
  • Bei dem gekapselten Ableiter nach DE 100 18 012 A1 wird das Potential der Zündelektrode ebenfalls über den druckfesten metallischen Mantel der Funkenstrecke zugeführt. Der dortige druckfeste Mantel ist aus einem Stück gefertigt und es wird zur Herstellung auf ein einfaches Umformverfahren zurückgegriffen. Der Verzicht auf eine isolierte Durchführung des Zündpotentials führt bei dieser Variante jedoch zu einem Mehraufwand an Isolation im Inneren der Funkenstrecke, da beide Elektroden nicht nur gegeneinander, sondern auch gegenüber dem gesamten Gehäuse isoliert sein müssen. Neben dem höheren Platzbedarf wird durch die aufwendige und spannungsfeste Isolation insbesondere auch die Wärmeabgabe aus der Funkenstrecke behindert. Dies führt zu einer erhöhten thermischen Belastung der Isolationsteile, zu langen Abkühlzeiten und zu einer enormen Einschränkung des für die Funkenstrecke zur Verfügung stehenden Raums. Alle diese Nachteile begrenzen letztendlich die Leistungsfähigkeit der Funkenstrecke.
  • Dann, wenn zur Verbesserung bestimmter Parameter einer Funkenstrecke eine zusätzliche Abgabe von Hartgas erfolgt, entsteht ein hoher Energieumsatz, der neben der thermischen Belastung zu einer weiteren Erhöhung bzw. einer dynamischen Druckbelastung sowohl bei Impuls- als auch bei Folgeströmen führt.
  • In der DE 101 64 025 A1 ist eine gekapselte triggerbare Funkenstrecke gezeigt, welche nach dem Radax-Flow-Prinzip arbeitet. Bei dieser Lösung des Standes der Technik wird das vorhandene quaderförmige Gehäuse der Funkenstrecke zur Kühlung der heißen Gase verwendet. Die Zuführung zur Triggerelektrode erfolgt durch die Isolationsteile der zweiten, gegenüber dem Gehäuse isolierten Hauptelektrode. Eine derartige Variante ist aufgrund der geometrischen Ausführungsform des Gehäuses sehr aufwendig und schränkt den Platz des aktiven Lichtbogenbereichs gegenüber dem Bereich zur Abkühlung der Gase erheblich ein.
  • Die vorstehend kurz gewürdigten Lösungen des Standes der Technik umfassen blitzstromtragfähige Niederspannungs-Luftfunkenstrecken, welche aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus eine an sich hohe Druckfestigkeit besitzen.
  • In der EP 0 305 077 A1 wird eine Funkenstrecke geringerer Leistungsfähigkeit vorgestellt, bei welcher eine Triggerelektrode durch den aus Isolationsmaterial bestehenden Außenmantel einer Funkenstrecke hindurchgeführt wird. Diese, nicht blitzstromtragfähige Funkenstrecke besitzt geringe Hauptelektrodenabstände und keine Mittel zur Erhöhung der Lichtbogenspannung. Der Leistungsumsatz und damit die einhergehende thermische und dynamische Belastung dieser Funkenstrecke des Standes der Technik ist unzureichend. Für den Einsatz in Niederspannungsnetzen ist eine derartige Funkenstrecke ungeeignet. Die dynamische Belastbarkeit des dortigen Gehäuses und der Durchführung der Triggerelektrode ist ebenfalls gering
  • Aus der EP 1 542 323 A ist gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs, eine gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse mit stirnseitiger Bördelung sowie mindestens einer Triggerelektrode vorbekannt. Die Lösung nach EP 1 542 323 A umfasst auch einen Entladungsraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordnete elektrische Anschlusskontakte für die Hauptelektroden sowie Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper zum mechanischen Fixieren der Hauptelektroden zueinander und bezogen auf das Außengehäuse.
  • Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte, gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen gebördelten Außengehäuse, mindestens einer Triggerelektrode, einem Entladungsraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden anzugeben, wobei die Funkenstrecke eine hohe Stoßstromtragfähigkeit bei einer dennoch einfachen, technologisch beherrschbaren Konstruktion mit einfacher Triggerelektrodenkontaktierung gewährleisten soll.
  • Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Funkenstrecke gemäß der Merkmalskombination nach dem Patentanspruch.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Kontaktierung der Triggerelektrode mit Hilfe isolierten Drahtes oder bevorzugt eines bandförmigen Leiters, der in einem spaltförmigen Raum zwischen einer Außenseite einer der Hauptelektroden und der zugehörigen Seite des Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpers eingelegt ist.
  • Das äußere Anschlussende des Leiters ist im Bereich des stirnseitigen Anschlusskontakts der betreffenden Hauptelektrode zugänglich und das Innere, abisolierte Ende des Leiters steht in elektrischer Verbindung mit der Triggerelektrode.
  • Aufgrund der Tatsache, dass der bevorzugt eingesetzte bandförmige Leiter sich in dem spaltförmigen Raum befindet und sich unter Umformung an die Außenkontur der Hauptelektrode anschmiegt, sind keine zusätzlichen Nuten oder dergleichen im Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper notwendig. Insbesondere dann, wenn der Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper bezogen auf das Material des bandförmigen Leiters bzw. der jeweiligen Hauptelektrode eine geringere Härte und eine gewisse Elastizität aufweist, ist für eine ausreichende mechanische Stabilität und Dichtigkeit auch im Bereich des verlegten bandförmigen Leiters Sorge getragen.
  • Bei der Ausführungsform mit bandförmigem Leiter ist eine nahezu beliebige Führung des Bandes zwischen den Einzelteilen der Funkenstrecke möglich, und zwar unabhängig vom Potential der entsprechenden benachbarten Teile. Auf jeden Fall ist dafür Sorge getragen, dass die Impulsfestigkeit der Isolation des Bandes höher als die Impulsspannung des Triggerimpulses liegt.
  • Die Verbindung zwischen der Triggerelektrode und dem abisolierten Ende des Bandes kann durch Klemmen, Löten, Schweißen, aber auch durch eine Klebung realisiert werden.
  • Die so bereits kontaktierte Triggerelektrode wird dann bei der Montage mit dem vorhandenen Anschluss weiter verarbeitet, d.h. es wird die Stapelanordnung aus erstem Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper mit dort befindlicher erster Hauptelektrode, dem Körper mit der Triggerelektrode und dann der gegenüberliegenden, zweiten Hauptelektrode gebildet. Der die zweite Hauptelektrode umgebende Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper nimmt den bandförmigen Leiter auf. Im Anschluss erfolgt das Umbördeln des metallischen Außengehäuses jeweils im stirnseitigen Bereich der Gesamtanordnung, so dass sich eine äußerst druckstabile und feste Funkenstrecke ergibt.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme der Fig. 1 näher erläutert werden.
  • Hierbei zeigt:
    • Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer gekapselten, druckfest ausgeführten, grundkonstruktiv rotationssymmetrischen Hochleistungsfunkenstrecke mit bandförmigem Leiter zur Kontaktierung der Triggerelektrode.
  • Die im wesentlichen rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke nach der Figur weist zwei gegenüberliegende Hauptelektroden 2 und 3 auf.
  • Diese Hauptelektroden 2, 3 weisen im Querschnitt eine T-Form auf, wobei der in Axiallängsrichtung verlaufende Schenkel des T einen elektrischen Außenanschluss, z.B. in Form einer Gewindebohrung besitzt.
  • Über Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper 4 und 5 werden die Hauptelektroden 2 und 3 gegenüber dem Außengehäuse 1, welches bevorzugt aus Metall besteht, gehalten.
  • Eine Triggerelektrode 6, die beispielsweise scheibenförmig mit Durchgangsbohrung ausgeführt sein kann, reicht mit ihren Innenseiten bis zum Entladungsraum 7 heran oder in diesen hinein.
  • Die Triggerelektrode 6 ist über einen Isolierkörper 6a gegenüber dem Außengehäuse 1 und den beiden Hauptelektroden 2 und 3 in ihrer Position festgelegt.
  • Stirnumfangsseitig weist das Außengehäuse 1 eine Bördelung auf, um der Gesamtanordnung die notwendige Druckfestigkeit zu geben.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper 5 isoliert ausgeführt. Ein impulsspannungsfestes dünnes Band 8 wird zwischen den ohnehin für die Funkenstrecke notwendigen Teilen bis zur Triggerelektrode 6 geführt und kontaktiert dieses.
  • Die notwendige Verbindung zwischen der Triggerelektrode 6 und dem abisolierten Ende des Bandes 8 kann durch Klemmen, Löten, Schweißen, aber auch durch eine Klebeverbindung erfolgen.
  • Das bevorzugt eingesetzte Band 8 besitzt gegenüber einem Draht den Vorteil, dass aufgrund der geringen Dicke des Bandes 8 von einem bis zu wenigen zehntel Millimetern keine besondere Bearbeitung oder Nuten in den relevanten Teilen der Funkenstrecke, insbesondere dem Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper 5 eingebracht werden muss, wodurch keine zusätzlichen Anforderungen unter technologischem Aspekt entstehen.
  • Auch für eine Montage der Elemente der Funkenstrecke, die sich als Stapelanordnung darstellt, bereitet das eingelegte Band vor dem Aufstecken des Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpers 5 bezüglich der zugehörigen Hauptelektrode 3 keinerlei Schwierigkeiten.
  • Alles in allem gelingt es mit der vorgestellten Erfindung, in einfacher, den Montageprozess nicht behindernder Weise, eine isolierte Einführung eines Triggerpotentials für gekapselte, druckfeste, nicht hermetisch dichte Funkenstrecken zu bewirken. Ein weiter Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nahezu alle Bauteile oder Baugruppen sowohl für eine Ausführung einer Funkenstrecke ohne als auch mit Triggerung Verwendung finden können, so dass sich die Aufwendungen bezüglich der Herstellung von Einzelteilen und zur Lagerhaltung reduzieren.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    metallisches Außengehäuse
    2;3
    Hauptelektroden
    4;5
    Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper
    6
    Triggerelektrode
    6a
    Isolierkörper für Triggerelektrode
    7
    Entladungsraum
    8
    bandförmiger Leiter

Claims (1)

  1. Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden (2;3), einem metallischen Außengehäuse (1) mit stirnseitiger Bördelung, mindestens einer Triggerelektrode (6), einem Entladungsraum (7) sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden (2;3) und Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpern (4;5) zum Fixieren der Hauptelektroden (2;3) zueinander und bezogen auf das Außengehäuse (1),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zur Kontaktierung der Triggerelektrode (6) ein isolierter Draht oder bevorzugt bandförmiger Leiter (8) in einem spaltförmigen Raum zwischen einer Außenseite einer der Hauptelektroden (2;3) und der zugehörigen Seite des Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpers (4;5) eingelegt ist, wobei das äußere Anschlussende des Leiters im Bereich des stirnseitigen Anschlusskontakts der betreffenden Hauptelektrode zugänglich ist und das innere, abisolierte Ende des Leiters in elektrischer Verbindung mit der Triggerelektrode (6) steht.
EP07726631A 2006-03-09 2007-03-05 Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische hochleistungsfunkenstrecke Not-in-force EP1992051B1 (de)

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DE (1) DE102006020129A1 (de)
RU (1) RU2008139455A (de)
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