EP2201654B1 - FUNKENSTRECKENANORDNUNG MIT EINER KURZSCHLIEßEINRICHTUNG - Google Patents

FUNKENSTRECKENANORDNUNG MIT EINER KURZSCHLIEßEINRICHTUNG Download PDF

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EP2201654B1
EP2201654B1 EP08786657A EP08786657A EP2201654B1 EP 2201654 B1 EP2201654 B1 EP 2201654B1 EP 08786657 A EP08786657 A EP 08786657A EP 08786657 A EP08786657 A EP 08786657A EP 2201654 B1 EP2201654 B1 EP 2201654B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
short
arrangement according
circuit element
cavity
electrode
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP08786657A
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English (en)
French (fr)
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EP2201654A1 (de
Inventor
Arnd Ehrhardt
Anna Niesslbeck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Dehn and Soehne GmbH and Co KG filed Critical Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Publication of EP2201654A1 publication Critical patent/EP2201654A1/de
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Publication of EP2201654B1 publication Critical patent/EP2201654B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/14—Means structurally associated with spark gap for protecting it against overload or for disconnecting it in case of failure

Definitions

  • the invention relates to a spark gap arrangement with a short-circuiting device comprising two opposing main electrodes arranged in a pressure-resistant housing, which are in each case in electrical connection with an external connection, according to the preamble of patent claim 1.
  • a surge arrester with a center electrode and at least one outer electrode is previously known, in which an electrically conductive spring clip is attached to the center console and exerts a spring force on the outer electrode. Between the spring clip and the outer electrode, an electrical component is arranged, which is not conductive at the ignition voltage of the surge arrester and which generates heat when current flows.
  • the spring clip abuts against an electrically conductive contact element, which is attached by means of a fusible mass to a spacer element and spaced from the outer electrode. With molten mass, the contact element can be pressed by the spring clip on the outer electrode, so that a trigger mechanism is formed.
  • the insulation required in the normal operation of the arrester between the spring clip and the outer electrode is effected by spacing the contact element from the outer electrode by means of the spacer element.
  • the fusible mass is only required to attach the contact element to the spacer element, and therefore may be provided in a small amount, which ensures that the contact element can be held by the spacer element.
  • the current carrying capacity of the short circuiter according to EP 1 407 460 A2 is limited due to the design and materials used there.
  • the reaction of the short-circuiter is greatly delayed by the necessary heating of the entire arrester. Due to the external attachment of the short-circuiter creates an increased space requirement and in addition, a possible sparking in the outdoor area when responding be critical of the short circuiter.
  • the prior art arrangement is a parallel connection of two spark gaps, namely gas discharge in combination with a separation distance of the short circuiter.
  • the EP 0 603 428 A1 discloses a gas discharge tube having a short-circuiting heater responsive to heating outside the discharge area. This short circuiter and the gas discharge arrester are in contrast to the EP 1 407 460 A2 in an additional housing.
  • the spark gap after DE 100 25 239 A1 has a short-circuiter integrated within the flameproof spark gap housing. This short circuiter becomes active at high pressure development within the spark gap. A reliable protection against a thermal overload of the spark gap with internal or even external causes is not possible with this solution.
  • back-up fuses such as those used in arresters with spark gaps, are aimed at. In the event that the arrester in question is not able to automatically interrupt the follow-on current, this takes over the associated back-up fuse and disconnects the arrester from the mains.
  • this fail-safe behavior can not be easily achieved by switching off. This can e.g. caused by supply networks, where the operating current is almost equal to the short-circuit current. Such behavior is present in emergency generators or in photovoltaic systems.
  • the short-circuiting device should be thermally, namely triggered by internal or external heating.
  • the design to be stated should allow an easy adjustment of the triggering temperature and the tripping time to different problems depending on the application of the spark gap arrangement.
  • the short-circuiter according to the invention comprising a conductive short-circuiting element, responds to at least one or two or more response temperatures and, in one embodiment, may also be selectively adjusted to overcurrents.
  • the overcurrents can flow, for example, within a trigger unit, a parallel control unit or a parallel overvoltage protection.
  • the overcurrent function can also be used for a be used externally triggered short circuit of the spark gap. This makes sense, for example, for an additional protective function independent of the overvoltage protection function of the unit.
  • an electrical system in a fault for example, when a fire, arcing faults and so on targeted in a defined state, even in combination with an overcurrent protection device, such as a switch or a fuse, are brought.
  • a cavity is provided in at least one of the main electrodes.
  • This cavity accommodates a movable, conductive short-circuiting element, wherein the short-circuiting element has a geometric shape such that the distance between the main electrodes can be safely bridged.
  • the short-circuiting element is subjected to a biasing force, which is released under thermal or overcurrent load.
  • This solution has the advantage that the volume of the spark gap does not have to be increased. There are no additional connections necessary in addition to the connections of the spark gap. The performance of the short-circuiter is limited only by the connection cross-section of the spark gap. The short-circuiter is in the proposed solution within the pressure-resistant encapsulation of the spark gap and thus represents no external security risk.
  • the response of the short-circuiter can be easily adjusted for different spark gaps and overload cases, for which purpose the response temperature and the response delay with respect to release of the biasing force is variable.
  • the short-circuiting element is mounted in the cavity in fit and it is the biasing force generated by a spring element.
  • the biasing force of the spring element is adjustable.
  • a through hole may be provided in the main electrode receiving the short-circuiting element.
  • the short-circuiting element is held in or on the cavity by means of a temperature-sensitive substance or such an element. If the temperature in the vicinity of the short-circuiting element exceeds the melting point of the temperature-sensitive substance, then the movement of the short-circuiting element is made possible under the effect of the now released biasing force with the result of contact bridging between the two main electrodes of the spark gap arrangement.
  • the temperature-sensitive substance may be in the fitting space and is preferably in close thermal contact with the corresponding main electrode.
  • the through hole may have an adjusting screw, which acts on the spring element, wherein the spring element between the short-closing element and the screw is, for the purpose of being able to vary the biasing force of the spring depending on the application case also externally.
  • the short-circuiting element may have at least one mandrel at its end oriented toward the counter-main electrode, which can penetrate an insulation layer or insulation film located on the counter-main electrode.
  • the biasing force can be released by loosening or severing a fuse fusion conductor.
  • One end of the fuse fusible conductor communicates with an auxiliary terminal insulated from the respective main electrode, the other end being contacted with the main electrode via the short-circuiting member to conduct a tripping current.
  • the fuse fuse is attached to the temperature-sensitive solder on the short-circuiting member and / or the auxiliary terminal.
  • the fuse melt conductor is located inside a prestressed or prestressable helical compression spring.
  • the fuse conductor is also arranged in a through hole of the main electrode, wherein the through hole adjoins the cavity or is part of the cavity in the corresponding main electrode.
  • solder attachment points of the fuse fuse may have different temperature sensitivity, i. have a different melting point.
  • a contact shoulder or a contact ring in or at the cavity, preferably at its end facing the arc combustion chamber, may be provided in the exit region of the short-closing element.
  • At least the main electrodes are rotationally symmetrical.
  • one of the main electrodes have a pot shape, wherein the opposite main electrode extends into the interior of the pot.
  • the exemplary embodiments shown have in common that within at least one main electrode, a displaceable part of the electrode or another electrically conductive part is introduced, which upon heating of the outer environment of the spark gap, when heating the main electrodes or in intense arc action in the arc space of the spark gap by its movement to the counter electrode short circuits the entire spark gap in the interior of the flameproof enclosure.
  • the volume of the spark gap does not have to be increased. There are no additional connections necessary in addition to the connections of the spark gap.
  • the performance of the short-circuiting device is limited only by the connection cross section of the spark gap.
  • the variants according to the Fig. 3 and 4 solve the task of creating a short circuiter, which monitored in addition to the purely thermal tripping function by overcurrents in an auxiliary or parallel path of the arrester or can be specifically triggered in an external fault.
  • Fig. 1 shows an exemplary embodiment of a triggerable lightning current carrying spark gap, which can be used as N / PE or spark gap.
  • the invention is not limited to spark gaps, but can also be used in spark gaps for network applications.
  • the invention is not limited to spark gaps with additional trigger electrodes, but can also be used easily for simple, non-triggerable spark gaps.
  • the spark gaps shown have two outer terminals 1, a pressure-resistant, preferably metallic shell 2, at least one insulating bushing 3 and two opposing main electrodes 4a, 4b.
  • the spark gap can be detected by means of a third electrode 5, e.g. be triggered via the jacket 2.
  • a third electrode 5 e.g. be triggered via the jacket 2.
  • the contacting of the auxiliary electrode 5 can also be done by an opposite the jacket 2 insulated implementation.
  • the electrically conductive short-circuiting element 6 bridges after tripping the distance between the two main electrodes 4a, 4b in an electrically conductive function.
  • the short-circuiting element 6 is fixed in retirement with the aid of a temperature-sensitive substance 7 on or in the electrode 4b.
  • temperature-sensitive substance 7 it is possible to use both solders, waxes, polymers, adhesives and the like with a melting point or melting range which is as defined as possible.
  • bimetals or shape memory alloys can be used to block the spring biasing force until it reaches a certain temperature.
  • the biasing force is generated or varied by a spring 8 in the simplest manner in the Beschcorroron the spark gap by means of a screw 9.
  • the short-circuiting element 6 If the attachment is heated beyond the response temperature, the short-circuiting element 6 is moved from the rest position shown by the spring into the end position (see FIG Fig. 1 ) emotional. In this way, the short-circuiting element 6 is connected over a large area with the counter electrode 4a.
  • the electrical connection of the short-circuiting element 6 relative to the main electrode 4b may already exist prior to triggering via the fastening means or the substance 7, but also only after the start of the movement, e.g. be realized by positive locking and / or traction.
  • the contact area between the short-circuiting element 6 and the main electrode 4b corresponds at least to the contact surface between the short-circuiting element 6 and the counterelectrode 4a. Both contact surfaces are preferably larger than the connection cross section of the spark gap.
  • an embodiment with a solder joint as substance 7 between the electrode 4b and the short-circuiter 6 is preferred, wherein the large-area contact between the two parts 4b and 6 in the short-circuit position can be realized via a close fit between these parts ,
  • the fit is preferably performed in an axial region which is as far away as possible from the arc chamber, i. away from the arc combustion chamber.
  • these coaxial protective walls 14 can also support the guidance of the short-circuiting element 6 during its movement.
  • the behavior of the short-circuiting element 6 can be influenced and varied in addition to the control of the response via the melting or reaction temperature of the substance 7 by further measures.
  • the positioning of the temperature-sensitive attachment as close as possible to the arc furnace or in the direct area of action of the arc can be used for a rapid release of the short-circuiter both in pulse as well as longer lasting fault currents.
  • the heat conduction behind the space behind the fixture or substance 7, e.g. in the form of a change of material within the electrode 4b or between the electrode 4b and the electrode terminal 1 a heat accumulation in the region of the substance 7 can be selectively generated, whereby a faster response is effected.
  • the heat capacity of the parts can be specifically influenced by the geometry and the material selection.
  • the heat capacity of the actual short-circuiting element 6 is also taken into account if the attachment is to be triggered exclusively via the heat in the main electrode 4b.
  • the heating of the attachment via the substance 7 can also be effected by heating the short-circuiting element 6.
  • the materials and the geometries of the main electrode 4b, the short-circuiting element 6, its attachment and the connection 1 are in addition to the positioning of the substance 7 and the response temperature thus numerous options available to the response of the short circuit to the application and to adjust possible hazards.
  • the different behavior of the arc within the spark gap can be used. If the short-circuiting element is not triggered by impulsive loads or only under extreme loads, but is released as quickly as possible in the case of small and long-lasting fault currents, then the migration behavior of the arc can be used for longer errors. While the arc predominates at momentum loading only in the region of its ignition, ie in the vicinity of the trigger electrode 5, the movement of the long-lasting fault current in the direction of the substance 7 can be initiated. As a result, the behavior based on the release of the movement of the short-circuiting element 6 can be designed differently even with the same power sales.
  • the arc can also be directed directly onto the short-circuiting element 6 in order to effect a faster response.
  • the Fig. 2 shows an embodiment of a spark gap, which is similar to the basic structure of those already in the Fig. 1 was shown and described.
  • the short-circuiting element 6 here within the main electrode 4a befindlich.
  • the fixing substance 7 is heated almost directly here even with pulsed loads.
  • the heat input of the arc root point acts directly on the temperature-sensitive part 7 of the short-closing element 6.
  • the different heating of the anode or of the cathode can be utilized by the corresponding connection of the electrode 4a. This thus allows an almost instantaneous reaching the response temperature of the substance or the part 7 at a defined load on the spark gap.
  • the Fig. 2 also shows a design possibility of the short-circuiting element 6, wherein this is additionally provided with a mandrel 13.
  • a mandrel 13 With the help of the releasable force of the spring 8, in this embodiment, an insulation gap, such as a film 12 are destroyed, which is, for example, on the surface of the opposing main electrode 4b, so that then sets the desired short circuit.
  • the short circuit can also be made directly to the sheath 2 of the spark gap.
  • Fig. 3 and 4 show short-circuiters, which can also react within a specific design to different temperatures and overcurrents.
  • the short-circuiting element 6 is not connected directly to the outer terminal 1 or the electrode 4b via a temperature-sensitive element 7, but movably mounted in the terminal 1, within a through-hole provided there, with the terminal 1 in electrical contact therewith.
  • the electrical contact is e.g. implemented via projections 18, sliding or sliding contacts or via a corresponding fit.
  • the short-closing element 6 is also biased by a spring 8 and is held by a fuse fuse 15.
  • Fuse fuse 15 is electrically conductive and temperature sensitive, e.g. via a Lot 7a, connected to the short-circuiting element 6.
  • auxiliary terminal 16 On the opposite side of the fuse fuse 15 with an auxiliary terminal 16 is electrically conductive and optionally also temperature-sensitive fixed at a point 7b.
  • the spring 8 is biased here between the parts 1 and 16 located.
  • the auxiliary terminal 16 has a terminal which can be contacted outside the spark gap.
  • the auxiliary terminal 16 is insulated from the main terminal 1 and may be attached to the insulation 19.
  • the positioning of the short-closing element 6 in the interior of the main terminal 1 can be made fixed by paragraphs 20 fixed or by means of internal thread.
  • the current through the auxiliary terminal 16 flows via the fuse fuse 15 and the short-circuiting element 6 directly to the terminal 1 of the spark gap.
  • the potential difference between the auxiliary terminal 16 and the main terminal 1 is thus extremely low in the unresolved state of the short-circuiter and therefore provides only insignificant requirements with respect to the insulation and the flashover distance. This simplifies the structure in the interior of the spark gap, but also in the outer connection region of the two potentials from the auxiliary connection 16 and the connection 1.
  • connections at points 7a and / or 7b can have a different response temperature, which allows further coordination with regard to the tripping behavior and the requirements of the spark gap and the short circuiter.
  • the main connection 1 with internal short-circuiting device is preferably carried out on versions with overcurrent release via an external thread.
  • the fuse conductor 15 may have any characteristic and rated current strength according to the tripping function of the short-circuiter.
  • the switching capacity of the fuse element 15, however, is of minor importance, since the destruction of the fusible conductor is virtually in the pressure-resistant housing of the spark gap and the short-term separation distance is hardly exposed to an arc load due to the short-circuit function.
  • connection area of the spark gap is protected by the insulation and the heel against sparking.
  • the spring 8 is biased before assembly in the terminal, so that it is fixed.
  • Fig. 4 shows a variant in which the bias of the spring 8 takes place only during assembly of the entire spark gap assembly and is therefore still adjustable even in the assembled state.
  • the spring 8 is guided on the short-closing element 6 and can be counter-supported on the opposite side on a fixed or variable shoulder 20 in the terminal 1.
  • the fuse element 15 is fixed on the side of the auxiliary terminal 16 at the attachment point 7b.
  • the auxiliary terminal 16 is guided in the sleeve 21 and is kept isolated from the terminal 1.
  • the sleeve 21 or the shoulder 20 in connection 1 consist of insulating material or it is in turn an insulation according to the part. 19 according to Fig. 3 between the parts 16 and 21 available.
  • the insulation can also be carried out as an insulating coating.
  • the sleeve 21 is opposite the shoulder 20 in connection 1 e.g. movable via a corresponding thread. By adjusting the position of the sleeve 21 in paragraph 20 of the terminal 1, the spring preload of the spring 8 can be adjusted. However, the distance and the stroke to the counter electrode 4a is to be observed.
  • the Fig. 5 to 7 show applications for a spark gap with short-circuiting device according to the embodiments, as shown by the Fig. 3 and 4 were explained.
  • a spark gap 22 with trigger circuit 23 which has at least two terminals, which are contacted with the spark gap 22 via the parts 5 and 16.
  • the fuse fuse 15 of the short-circuiter is designed so that an overload of the trigger circuit can be avoided or a possible damage of the trigger circuit 23 is severely limited.
  • the Fig. 6 shows a block diagram in which the current can be monitored by a parallel to the spark gap 22 connected element 24.
  • the element 24 may in this case be, for example, another overvoltage protection element, an electronic device, an electronic short-circuiter or the like.
  • Fig. 7 represents a block diagram in which the short-circuiting of the spark gap 22 via an auxiliary circuit 25 directly via a signal output of a controller 26 is controlled.
  • the auxiliary circuit 25 can in the simplest way be controllable element, for example, a thyristor, a transistor, a gas discharge tube, a spark gap or the like.
  • the controller 26 may be responsive to any detection signals, e.g. Arc fault, fire sensors, insulation guard and the like respond. With the help of an overcurrent protection device 26, instead of a short circuit of the system and their shutdown can be effected.
  • any detection signals e.g. Arc fault, fire sensors, insulation guard and the like respond.
  • the short-circuiting of the presented spark gap arrangement is summarized without additional external space requirements within a flameproof enclosure of the spark gap can be arranged and responds to external impressed or internal temperature increases, the short circuit between the two main electrodes is realized.
  • the response is determined by the melting temperature of a temperature-sensitive attachment or substance.
  • the response delay can be determined by the position, the geometry and the material properties of the short-circuiting element or its attachment. Finally, the response delay can be determined or controlled by the positioning of the short-circuiting element and by the different running behavior of the arc within the spark gap.
  • the response delay can be chosen differently despite the same power conversion for pulse and continuous currents. It is possible to carry out the response delay at a lower power conversion with small continuous currents less than with high-power pulse currents.
  • the Fig. 8a shows a way to separate the mechanical connection and the electrical current flow.
  • the bolt 6 has a separate contact region 27, which is in good electrical contact with the electrode 1 in the region 28.
  • the transition region 27, 28 is chosen by the materials and the tolerances so that there is a very good electrical connection, which does not weld even at high currents and has a low friction. Materials used for this purpose are known from switching devices or rotating electrical machines.
  • the flow of current in the region of Lotstelle 7 by a corresponding Material choice or electrical insulation can be reduced or prevented (not shown).
  • thermosensitive materials 7 of low electrical conductivity, but also insulating materials.
  • the Fig. 8b shows an alternative possibility for realizing the described decoupling.
  • the bolt 6 is provided with a flexible strand 29 and a flexible bellows 30, which does not restrict the movement of the bolt 6, but at the same time realizes a permanent good electrical connection.
  • the strand 29 or the bellows 30 may be fastened or clamped to the connection part 9 or else to the electrode 1.
  • Fig. 9 shows an example of this representation. Accordingly, the leaves Fig. 9 recognize an arrangement to avoid the arc approach to short-circuiting pin 6. This is useful for very inexpensive materials for the bolt 6 and very tight spaces, where a transition of the arc in this area is not safe to exclude, makes sense.
  • a, in this case insulating, protective part 14 is extended to the counter electrode 4a.

Landscapes

  • Fuses (AREA)
  • Connection Of Batteries Or Terminals (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Funkenstreckenanordnung mit einer Kurzschließeinrichtung, umfassend zwei gegenüberliegende, in einem druckfesten Gehäuse angeordnete Hauptelektroden, welche jeweils mit einem Außenanschluss in elektrischer Verbindung stehen, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der EP 1 407 460 A2 ist ein Überspannungsableiter mit einer Mittelelektrode und wenigstens einer Außenelektrode vorbekannt, bei dem ein elektrisch leitender Federbügel an der Mittelkonsole befestigt ist und eine Federkraft auf die Außenelektrode ausübt. Zwischen dem Federbügel und der Außenelektrode ist ein elektrisches Bauelement angeordnet, das bei der Zündspannung des Überspannungsableiters nicht leitend ist und welches bei Stromfluss Wärme erzeugt. Der Federbügel liegt an einem elektrisch leitenden Kontaktelement an, das mittels einer schmelzbaren Masse an einem Distanzelement befestigt und von der Außenelektrode beabstandet ist. Bei geschmolzener Masse kann das Kontaktelement durch den Federbügel auf die Außenelektrode gedrückt werden, so dass ein Auslösemechanismus gebildet ist. Bei diesem Überspannungsableiter des Standes der Technik wird die im Normalbetriebsfall des Ableiters erforderliche Isolation zwischen dem Federbügel und der Außenelektrode durch Beabstandung des Kontaktelements von der Außenelektrode mittels des Distanzelements bewirkt. Die schmelzbare Masse ist lediglich dazu erforderlich, um das Kontaktelement an dem Distanzelement zu befestigen, und kann daher in einer geringen Menge vorgesehen sein, die sicherstellt, dass das Kontaktelement von dem Distanzelement festgehalten werden kann.
  • Die Stromtragfähigkeit des Kurzschließers gemäß EP 1 407 460 A2 ist aufgrund der dortigen Konstruktion und der verwendeten Materialien eingeschränkt. Außerdem wird die Reaktion des Kurzschließers durch die notwendige Aufheizung des gesamten Ableiters stark verzögert. Aufgrund der äußeren Anbringung des Kurzschließers entsteht ein erhöhter Platzbedarf und zusätzlich kann eine mögliche Funkenbildung im Außenbereich beim Ansprechen des Kurzschließers kritisch sein. Darüber hinaus stellt die vorbekannte Anordnung eine Parallelschaltung von zwei Funkenstrecken, nämlich Gasableiter in Kombination mit einer Trennstrecke des Kurzschließers dar. Um ein Überschlagen der Trennstrecke im äußeren Bereich und damit eine extreme Funkenbildung zu vermeiden, müssen die Ansprechspannungen der beiden parallelen Funkenstrecken über einen sehr breiten Frequenzbereich aufeinander abgestimmt sein und zudem die Alterung des Gasableiters über eine längere Zeitdauer und bei unterschiedlichsten Belastungen berücksichtigt werden.
  • Die EP 0 603 428 A1 offenbart einen Gasentladungsableiter, welcher außerhalb des Entladungsbereichs einen auf Erwärmung reagierenden Kurzschließer besitzt. Dieser Kurzschließer und der Gasentladungsableiter befinden sich im Gegensatz zur EP 1 407 460 A2 in einem zusätzlichen Gehäuse.
  • Durch diesen höheren Aufwand kann die Gefährdung der Umgebung bei einem Fehlverhalten der Anordnung zwar minimiert werden, jedoch ist ein entsprechender Platzbedarf notwendig. Außerdem erhöht sich aufgrund der zusätzlichen Masse die Reaktionszeit bis zum Ansprechen des Kurzschließers. Eine effektive Abstimmung der Sicherheitsfunktion auf die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Funkenstrecke ist so nur schwer möglich.
  • Die Funkenstrecke nach DE 100 25 239 A1 weist einen innerhalb des druckfesten Funkenstreckengehäuses integrierten Kurzschließer auf. Dieser Kurzschließer wird bei einer hohen Druckentwicklung innerhalb der Funkenstrecke aktiv. Ein sicherer Schutz vor einer thermischen Überlastung der Funkenstrecke mit inneren oder sogar äußeren Ursachen ist bei dieser Lösung nicht möglich.
  • Für spezielle Anwendungsfälle von Funkenstrecken ist es erforderlich, dass die eingesetzten Geräte in einen definierten Zustand Kurzschluss oder Leerlauf überführt werden. Ein typisches Beispiel für ein solches Fail-Safe-Verhalten ist die Möglichkeit des thermischen Abtrennens, wie sie bei Überspannungsschutzgeräten mit Varistoren vielfach verwendet werden. Im Falle einer drohenden Überlastung trennt die thermisch sensible Abtrennvorrichtung das betreffende Gerät vom Netz und verhindert damit eine folgenschwere Zerstörung.
  • In eine ähnliche Richtung zielen Back-up-Sicherungen, wie sie bei Ableitern mit Funkenstrecken verwendet werden. Für den Fall, dass der betreffende Ableiter nicht in der Lage ist, selbsttätig den Netzfolgestrom zu unterbrechen, übernimmt dies die zugehörige Back-up-Sicherung und trennt den Ableiter vom Netz.
  • Bei speziellen Anwendungsfällen ist dieses Fail-Safe-Verhalten durch Abschalten nicht ohne weiteres realisierbar. Dies kann z.B. verursacht werden durch Versorgungsnetze, bei denen der Betriebsstrom nahezu gleich groß ist wie der Kurzschlussstrom. Ein solches Verhalten liegt bei Notstromaggregaten oder in Photovoltaikanlagen vor.
  • Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Funkenstreckenanordnung mit einer Kurzschließeinrichtung anzugeben, welche einerseits dauerstromtragfähig ist und die andererseits ohne zusätzlichen Platzbedarf die gewünschte Kurzschließfunktion sichert. Die Kurzschließeinrichtung soll dabei thermisch, und zwar durch innere oder äußere Erwärmung auslösbar sein. Die anzugebende Konstruktion soll in leichter Weise eine Anpassung der Auslösetemperatur und der Auslösezeit an verschiedene Problemstellungen je nach Einsatzgebiet der Funkenstreckenanordnung ermöglichen.
  • Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
  • Der erfindungsgemäße Kurzschließer, umfassend ein leitfähiges Kurzschließelement, reagiert auf mindestens eine bzw. zwei oder mehrere Ansprechtemperaturen und kann bei einer Ausführungsform auch selektiv auf Überströme eingestellt sein. Die Überströme können z.B. innerhalb einer Triggereinheit, einer parallelen Steuereinheit oder einem parallelen Überspannungsschutz fließen. Darüber hinaus kann die Überstromfunktion quasi auch für einen, von außen getriggerten Kurzschluss der Funkenstrecke genutzt werden. Dies ist z.B. für eine zusätzliche Schutzfunktion unabhängig von der Überspannungsschutzfunktion der Einheit sinnvoll. So kann eine elektrische Anlage in einem Fehlerfall, z.B. beim Auftreten eines Brandes, von Störlichtbögen und so weiter gezielt in einen definierten Zustand, auch in Kombination mit einer Überstromschutzeinrichtung, wie einem Schalter oder einer Sicherung, gebracht werden.
  • Erfindungsgemäß ist in mindestens einer der Hauptelektroden ein Hohlraum vorgesehen. Dieser Hohlraum nimmt ein bewegliches, leitfähiges Kurzschließelement auf, wobei das Kurzschließelement eine geometrische Gestalt derart aufweist, dass der Abstand zwischen den Hauptelektroden sicher überbrückbar ist. Das Kurzschließelement ist mit einer Vorspannkraft beaufschlagt, welche bei thermischer oder Überstromlast freigegeben wird.
  • Diese Lösung hat den Vorteil, dass das Volumen der Funkenstrecke nicht vergrößert werden muss. Es sind neben den Anschlüssen der Funkenstrecke keine zusätzlichen Anschlüsse notwendig. Die Leistungsfähigkeit des Kurzschließers wird nur durch den Anschlussquerschnitt der Funkenstrecke beschränkt. Der Kurzschließer befindet sich bei der vorgestellten Lösung innerhalb der druckfesten Kapselung der Funkenstrecke und stellt damit kein äußeres Sicherheitsrisiko dar.
  • Das Ansprechverhalten des Kurzschließers kann leicht für verschiedene Funkenstrecken und Überlastfälle abgestimmt werden, wobei hierfür die Ansprechtemperatur und die Ansprechverzögerung hinsichtlich Freigabe der Vorspannkraft variierbar ist.
  • Bei einer ersten Ausführungsform ist das Kurzschließelement im Hohlraum in Passung gelagert und es wird die Vorspannkraft durch ein Federelement erzeugt.
  • Die Vorspannkraft des Federelements ist einstellbar. Hierfür kann in der das Kurzschließelement aufnehmenden Hauptelektrode eine Durchgangsbohrung vorgesehen sein.
  • Das Kurzschließelement wird im oder am Hohlraum mittels einer temperaturempfindlichen Substanz oder einem derartigen Element gehalten. Überschreitet die Temperatur in der Umgebung des Kurzschließelements den Schmelzpunkt der temperaturempfindlichen Substanz, dann wird die Bewegung des Kurzschließelements ermöglicht, und zwar unter der Wirkung der nun freigegebenen Vorspannkraft mit der Folge der Kontaktüberbrückung zwischen den beiden Hauptelektroden der Funkenstreckenanordnung.
  • Die temperaturempfindliche Substanz kann sich im Passungsraum befinden und steht bevorzugt in engem thermischen Kontakt zur entsprechenden Hauptelektrode.
  • Die Durchgangsbohrung kann eine Stellschraube aufweisen, welche auf das Federelement einwirkt, wobei sich das Federelement zwischen dem Kurzschließelement und der Stellschraube befindet, und zwar zu dem Zweck, die Vorspannkraft der Feder je nach Applikationsfall auch extern variieren zu können.
  • Am zum Lichtbogenbrennraum orientierten Abschnitt des Hohlraums, die Öffnung seitlich umgebend, ist mindestens ein wallartiger Vorsprung oder Ring vorgesehen, welcher den Hohlraum vor Verschmutzung schützt und die Bewegung des Kurzschließelements im Sinne einer Führung fördert.
  • Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann das Kurzschließelement an seinem zur Gegen-Hauptelektrode orientierten Ende mindestens einen Dorn aufweisen, welcher eine auf der Gegen-Hauptelektrode befindliche Isolationsschicht oder Isolationsfolie durchdringen kann.
  • Bei einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann die Vorspannkraft über das Lösen oder Auftrennen eines Sicherungsschmelzleiters freigegeben werden.
  • Ein Ende des Sicherungsschmelzleiters steht mit einem gegenüber der jeweiligen Hauptelektrode isoliert geführten Hilfsanschluss in Verbindung, wobei das weitere Ende über das Kurzschließelement mit der Hauptelektrode kontaktiert ist, um einen Auslösestrom zu führen.
  • Der Sicherungsschmelzleiter ist mit einem temperaturempfindlichen Lot am Kurzschließelement und/oder dem Hilfsanschluss befestigt.
  • Bei einer Ausführungsvariante befindet sich der Sicherungsschmelzleiter im Inneren einer vorgespannten oder vorspannbaren Schraubendruckfeder.
  • Der Sicherungsschmelzleiter ist ebenfalls in einer Durchgangsbohrung der Hauptelektrode anordenbar, wobei sich die Durchgangsbohrung am Hohlraum anschließt oder Bestandteil des Hohlraums in der entsprechenden Hauptelektrode ist.
  • Die Lötbefestigungspunkte des Sicherungsschmelzleiters können eine unterschiedliche Temperaturempfindlichkeit, d.h. einen unterschiedlichen Schmelzpunkt besitzen.
  • Im Austrittsbereich des Kurzschließelements kann bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein Kontaktabsatz oder ein Kontaktring im oder am Hohlraum, bevorzugt an dessen zum Lichtbogenbrennraum weisenden Ende, vorgesehen sein.
  • Bevorzugt sind mindestens die Hauptelektroden rotationssymmetrisch ausgebildet.
  • Dabei kann wiederum bevorzugt eine der Hauptelektroden eine Topfform aufweisen, wobei die gegenüberliegende Hauptelektrode in das Topfinnere hineinreicht.
  • Ergänzend besteht die Möglichkeit, dass eine in den Lichtbogenbrennraum hineingeführte Triggerelektrode vorgesehen ist.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
  • Hierbei zeigen:
    • Fig. 1
    eine Längsschnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Funkenstreckenanordnung mit Kurzschließeinrichtung, wobei das Kurzschließelement mit einer einstellbaren Federvorspannkraft beaufschlagt ist;
    Fig. 2
    eine Ausführungsform einer Funkenstreckenanordnung mit Kurzschließeinrichtung in Längsschnittdarstellung, wobei sich das bewegliche Kurzschließelement in einem Hohlraum einer quasi inneren Hauptelektrode befindet;
    Fig. 3
    eine Ausführungsform einer Funkenstreckenanordnung mit einer Kurzschließeinrichtung im Längsschnitt, wobei das Kurzschließelement über einen Sicherungsschmelzleiter gehalten ist und ein Hilfsanschluss vorhanden ist;
    Fig. 4
    eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 3, jedoch mit der Möglichkeit der Einstellung der Federvorspannung einer in einer Durchgangsbohrung befindlichen Schraubendruckfeder;
    Fig. 5
    bis 7 Blockschaltbilder als Anwendungsfälle für eine Funkenstrecke mit einer Kurzschließeinrichtung gemäß den beispielhaften Ausführungsvarianten nach Fig. 3 und 4;
    Fig. 8a
    eine Darstellung mit der Möglichkeit zur Trennung der mechanischen Verbindung und des elektrischen Stromflusses;
    Fig. 8b
    eine Darstellung einer alternativen Möglichkeit zur Realisierung der Entkopplung und
    Fig. 9
    eine Anordnung zur Vermeidung des Lichtbogenansatzes am Kurzschließerbolzen.
  • Den gezeigten Ausführungsbeispielen ist gemein, dass innerhalb mindestens einer Hauptelektrode ein verschiebbares Teil der Elektrode oder ein weiteres elektrisch leitfähiges Teil eingebracht ist, welches bei Erwärmung der äußeren Umgebung der Funkenstrecke, bei Erwärmung der Hauptelektroden oder auch bei intensiver Lichtbogeneinwirkung im Lichtbogenraum der Funkenstrecke durch seine Bewegung zur Gegenelektrode die gesamte Funkenstrecke im Inneren der druckfesten Kapselung kurzschließt.
  • Diese kurz umrissene Lösung besitzt nachstehende Vorteile. Das Volumen der Funkenstrecke muss nicht vergrößert werden. Es sind neben den Anschlüssen der Funkenstrecke keine zusätzlichen Anschlüsse notwendig. Die Leistungsfähigkeit der Kurzschließeinrichtung wird nur durch den Anschlussquerschnitt der Funkenstrecke beschränkt. Es befindet sich darüber hinaus der Kurzschließer im Inneren der druckfesten Kapselung und stellt somit kein Sicherheitsrisiko dar. Die Ausführungsvarianten nach den Fig. 3 und 4 lösen die Aufgabe, einen Kurzschließer zu schaffen, welcher neben der rein thermischen Auslösefunktion auch durch Überströme in einem Hilfs- oder Parallelpfad des Ableiters überwacht bzw. bei einer externen Störung gezielt ausgelöst werden kann.
  • Der Längsschnitt nach Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer triggerbaren blitzstromtragfähigen Funkenstrecke, welche als N/PE- bzw. Trennfunkenstrecke eingesetzt werden kann.
  • Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf Trennfunkenstrecken, sondern kann ebenso bei Funkenstrecken für Netzanwendungen eingesetzt werden. Auch ist die Erfindung nicht auf Funkenstrecken mit zusätzlichen Triggerelektroden beschränkt, sondern kann auch bei einfachen, nicht triggerbaren Funkenstrecken ohne weiteres eingesetzt werden.
  • Die gezeigten Funkenstrecken besitzen zwei Außenanschlüsse 1, einen druckfesten, bevorzugt metallischen Mantel 2, mindestens eine isolierende Durchführung 3 und zwei, gegenüberliegende Hauptelektroden 4a, 4b.
  • Wenn notwendig, kann die Funkenstrecke mit Hilfe einer dritten Elektrode 5, z.B. über den Mantel 2 getriggert werden. Die Kontaktierung der Hilfselektrode 5 kann jedoch auch durch eine gegenüber dem Mantel 2 isolierte Durchführung erfolgen.
  • Bei der Darstellung nach den Fig. 1, 3 und 4 befindet sich ein leitfähiges Kurzschließelement 6 innerhalb der Hauptelektrode 4b.
  • Das elektrisch leitfähige Kurzschließelement 6 überbrückt nach Auslösen die Distanz zwischen den beiden Hauptelektroden 4a, 4b in elektrisch leitender Funktion.
  • Das Kurzschließelement 6 ist im Ruhestand mit Hilfe einer temperatursensiblen Substanz 7 an oder in der Elektrode 4b fixiert.
  • Als temperatursensible Substanz 7 können sowohl Lote, Wachse, Polymere, Kleber und Ähnliches mit einem möglichst definierten Schmelzpunkt oder Schmelzbereich verwendet werden.
  • Darüber hinaus können auch Bimetalle oder Formgedächtnislegierungen zur Blockierung der Federvorspannkraft bis zum Erreichen einer bestimmten Temperatur genutzt werden.
  • Die Vorspannkraft wird durch eine Feder 8 in einfachster Weise bei der Befertigung der Funkenstrecke mit Hilfe einer Schraube 9 erzeugt bzw. variiert.
  • Zur besseren Führung der Feder 8 beim Verschrauben kann ein Stift 10 am innenseitigen Ende der Vorspanneinstellschraube 9 vorhanden sein.
  • Nach dem Zünden des Lichtbogens 11 zwischen den beiden Hauptelektroden 4a und 4b erwärmen sich diese. Das Kurzschließelement 6 bzw. seine Befestigung mit der Substanz 7 kann hierbei der direkten Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt sein.
  • Erfolgt eine Erwärmung der Befestigung über die Ansprechtemperatur hinaus, wird das Kurzschließelement 6 von der gezeichneten Ruheposition durch die Feder in die gestrichelt dargestellte Endposition (siehe Fig. 1) bewegt. Auf diese Weise wird das Kurzschließelement 6 großflächig mit der Gegenelektrode 4a verbunden.
  • Die elektrische Verbindung des Kurzschließelements 6 bezogen auf die Hauptelektrode 4b kann bereits vor der Auslösung über das Befestigungsmittel bzw. die Substanz 7 bestehen, aber auch erst nach Beginn der Bewegung z.B. durch Formschluss und/oder Kraftschluss realisiert werden.
  • Die Kontaktfläche zwischen dem Kurzschließelement 6 und der Hauptelektrode 4b entspricht mindestens der Kontaktfläche zwischen dem Kurzschließelement 6 und der Gegenelektrode 4a. Beide Kontaktflächen sind bevorzugt größer als der Anschlussquerschnitt der Funkenstrecke.
  • Im Hinblick auf die Kosten und aus Fertigungsgründen wird eine Ausführungsform mit einer Lotverbindung als Substanz 7 zwischen der Elektrode 4b und dem Kurzschließer 6 bevorzugt, wobei der großflächige Kontakt zwischen den beiden Teilen 4b und 6 in der Kurzschlussposition über eine enge Passung zwischen diesen Teilen realisierbar ist.
  • Die Passung wird bevorzugt in einem axialen Bereich ausgeführt, welcher möglichst weit weg von der Lichtbogenkammer, d.h. vom Lichtbogenbrennraum entfernt ist. Zur Vermeidung von Verunreinigungen bzw. zur Reduzierung einer direkten Lichtbogeneinwirkung im aktiven Bereich des Kurzschließers können um diesen koaxiale Schutzwälle 14 angebracht werden. Diese Schutzwälle können auch die Führung des Kurzschließelements 6 bei seiner Bewegung unterstützen.
  • Das Verhalten des Kurzschließelements 6 kann neben der Steuerung des Ansprechverhaltens über die Schmelz- oder Reaktionstemperatur der Substanz 7 durch weitere Maßnahmen beeinflusst und variiert werden.
  • Wie bereits erwähnt, kann die Positionierung der temperatursensiblen Befestigung möglichst nahe am Lichtbogenbrennraum oder in dem direkten Einwirkbereich des Lichtbogens zu einer raschen Auslösung des Kurzschließers sowohl bei Impuls- als auch bei länger andauernden Fehlerströmen genutzt werden.
  • Durch die Reduzierung der Wärmeleitung hinter dem Raum hinter der Befestigung bzw. der Substanz 7, z.B. in Form eines Materialwechsels innerhalb der Elektrode 4b oder zwischen der Elektrode 4b und dem Elektrodenanschluss 1, ist gezielt ein Wärmestau im Bereich der Substanz 7 erzeugbar, wodurch ein schnelleres Ansprechen bewirkt wird. Ebenso kann die Wärmekapazität der Teile durch die Geometrie und die Materialauswahl gezielt beeinflusst werden.
  • Besitzt die temperatursensible Befestigung beispielsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit, wird auch die Wärmekapazität des eigentlichen Kurzschließelements 6 berücksichtigt, falls die Befestigung ausschließlich über die Wärme in der Hauptelektrode 4b ausgelöst werden soll.
  • Andererseits kann durch die Positionierung des Kurzschließelements 6 im Lichtbogenbrennraum die Erwärmung der Befestigung über die Substanz 7 auch über die Erwärmung des Kurzschließelements 6 bewirkt werden.
  • Durch die Wahl der Masse, der Materialien sowie der Geometrien der Hauptelektrode 4b, des Kurzschließelements 6, dessen Befestigung und des Anschlusses 1 stehen neben der Positionierung der Substanz 7 und der Ansprechtemperatur somit zahlreiche Möglichkeiten zur Verfügung, um das Ansprechverhalten des Kurzschließers auf den Einsatzfall und mögliche Gefährdungen abzustimmen.
  • Neben diesen Möglichkeiten kann auch das unterschiedliche Verhalten des Lichtbogens innerhalb der Funkenstrecke genutzt werden. Soll das Kurzschließelement bei impulsförmigen Belastungen nicht oder nur bei extremen Belastungen auslösen, aber bei kleinen und lang andauernden Fehlerströmen hingegen möglichst schnell freigegeben werden, so kann das Wanderungsverhalten des Lichtbogens bei längeren Fehlern genutzt werden. Während der Lichtbogen sich bei Impulsbelastung vorwiegen nur im Bereich seiner Zündung, also in der Nähe der Triggerelektrode 5 aufhält, kann die Bewegung des lang andauernden Fehlerstroms in Richtung der Substanz 7 veranlasst werden. Hierdurch ist das Verhalten bezogen auf die Freigabe der Bewegung des Kurzschließelements 6 selbst bei gleichen Leistungsumsätzen unterschiedlich gestaltbar. Der Lichtbogen kann bei einem elektrisch leitenden Teil bzw. elektrisch leitender Substanz 7 auch direkt auf das Kurzschließelement 6 gelenkt werden, um ein schnelleres Ansprechen zu bewirken. Zur Beeinflussung des Verhaltens des Lichtbogens können üblicherweise die eigenen Stromkräfte, die Eigen- und Fremdmagnetfelder oder aber auch gezielt Gasströmungen und im Betriebsfall auftretende Druckdifferenzen genutzt werden.
  • Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Funkenstrecke, die vom Grundaufbau derjenigen ähnelt, die bereits in der Fig. 1 gezeigt und beschrieben wurde. Im Unterschied zur Variante gemäß Darstellung nach Fig. 1 ist das Kurzschließelement 6 hier innerhalb der Hauptelektrode 4a befindlich.
  • Die Befestigungssubstanz 7 wird hier auch bei impulsförmigen Belastungen nahezu direkt erwärmt.
  • Bei einer geringen Wandstärke der Elektrode 4a und einer Unterbrechung der Wärmeabgabe hin zum Anschluss 1, z.B. durch eine Schraubverbindung oder einen Materialwechsel, wirkt der Wärmeeintrag des Lichtbogenfußpunkts direkt auf den temperatursensiblen Teil 7 des Kurzschließelements 6.
  • In einem Gleichstromkreis kann zudem die unterschiedliche Erwärmung der Anode bzw. der Kathode durch den entsprechenden Anschluss der Elektrode 4a genutzt werden. Dies erlaubt somit ein nahezu unverzögertes Erreichen der Ansprechtemperatur der Substanz bzw. des Teiles 7 bei einer definierten Belastung der Funkenstrecke.
  • Die Fig. 2 zeigt auch eine Gestaltungsmöglichkeit des Kurzschließelements 6, wobei dieses zusätzlich mit einem Dorn 13 versehen ist. Mit Hilfe der freisetzbaren Kraft der Feder 8 kann bei dieser Ausführungsform auch eine Isolationsstrecke, z.B. eine Folie 12 zerstört werden, die sich z.B. auf der Oberfläche der gegenüberliegenden Hauptelektrode 4b befindet, so dass sich dann der gewünschte Kurzschluss einstellt.
  • Obwohl die Ausführungsvarianten nach Fig. 1 und 2 beispielhaft auf eine axiale Bewegungsrichtung des Kurzschließers 6 orientieren, sind auch Kurzschließer mit einer radialen Bewegungsrichtung im Sinne der Erfindung möglich.
  • Bei ungetriggerten Funkenstrecken, bei denen der Mantel 2 der Funkenstrecke das gleiche Potential wie eine der Elektroden besitzt, kann der Kurzschluss auch direkt zum Mantel 2 der Funkenstrecke erfolgen.
  • Die Lösungen nach den Fig. 1 und 2 zeigen Kurzschließer, welche zur Funktion zwangsweise eine Erwärmung im Bereich der Substanz oder des Teiles 7 bis zum Erreichen der Ansprechtemperatur benötigen. Diese Erwärmung wird durch den Lichtbogen bzw. Leckströme innerhalb der Funkenstrecke oder durch die Erwärmung der Funkenstrecke von außen, z.B. bei erhöhter Umgebungstemperatur bewirkt.
  • Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 3 und 4 zeigen Kurzschließer, welche innerhalb einer konkreten Bauform zusätzlich auf unterschiedliche Temperaturen sowie Überströme reagieren können.
  • So zeigt die Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Funkenstreckenanordnung, die vom Grundaufbau ähnlich derjenigen gemäß Fig. 1 ist. Das Kurzschließelement 6 ist jedoch hier nicht direkt mit dem Außenanschluss 1 oder der Elektrode 4b über ein temperatursensibles Element 7 verbunden, sondern beweglich im Anschluss 1, innerhalb einer dort vorgesehenen Durchgangsbohrung, mit dem Anschluss 1 in elektrischem Kontakt zu diesem gelagert.
  • Der elektrische Kontakt wird z.B. über Vorsprünge 18, Gleit- oder Schleifkontakte oder über eine entsprechende Passung realisiert.
  • Das Kurzschließelement 6 wird auch hier über eine Feder 8 vorgespannt und ist von einem Sicherungsschmelzleiter 15 gehalten.
  • Der Sicherungsschmelzleiter 15 ist elektrisch leitend und temperatursensibel, z.B. über ein Lot 7a, mit dem Kurzschließelement 6 verbunden.
  • Auf der gegenüberliegenden Seite wird der Sicherungsschmelzleiter 15 mit einem Hilfsanschluss 16 elektrisch leitend und gegebenenfalls ebenfalls temperatursensibel an einem Punkt 7b fixiert.
  • Die Feder 8 ist hier vorgespannt zwischen den Teilen 1 und 16 befindlich.
  • Der Hilfsanschluss 16 besitzt eine Klemme, welche außerhalb der Funkenstrecke kontaktiert werden kann. Der Hilfsanschluss 16 ist gegenüber dem Hauptanschluss 1 isoliert geführt und kann an der Isolierung 19 befestigt sein.
  • Die Positionierung des Kurzschließelements 6 im Inneren des Hauptanschlusses 1 kann durch Absätze 20 fest oder mittels Innengewinde verstellbar erfolgen.
  • Die Art der Kontaktierung und Positionierung der beschriebenen Einzelteile ist nur beispielhaft dargestellt. Entscheidend ist, dass ein gegenüber dem Anschluss 1 isoliertes Potential über den Hilfsanschluss 16 in die Funkenstrecke eingebracht werden kann.
  • Der Strom durch den Hilfsanschluss 16 fließt über den Sicherungsschmelzleiter 15 und das Kurzschließelement 6 direkt zum Anschluss 1 der Funkenstrecke. Die Potentialdifferenz zwischen dem Hilfsanschluss 16 und dem Hauptanschluss 1 ist somit im unausgelösten Zustand des Kurzschließers äußerst gering und stellt daher nur unwesentliche Anforderungen bezogen auf die Isolation und die Überschlagsstrecke. Dies vereinfacht den Aufbau im Inneren der Funkenstrecke, aber auch im äußeren Anschlussbereich der beiden Potentiale vom Hilfsanschluss 16 und dem Anschluss 1.
  • Übersteigt der Strom vom Hilfsanschluss 16 zum Hauptanschluss 1 die Zeit-Strom-Kennlinie des Sicherungsschmelzleiters 15, wird das Kurzschließelement 6 ausgelöst und die vorgespannte Feder 8 bewegt das Element 6 zur Gegenelektrode 4a. Dies erfolgt jeweils auch beim Erreichen der Ansprechtemperatur der temperatursensiblen Verbindungen an den Punkten 7a und 7b.
  • Die Funktionsweise bezüglich der Temperatur ist analog derjenigen, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt und erläutert.
  • Die Verbindungen an den Punkten 7a und/oder 7b können eine unterschiedliche Ansprechtemperatur besitzen, wodurch eine weitere Abstimmung bezüglich des Auslöseverhaltens und der Anforderungen an die Funkenstrecke und den Kurzschließer möglich ist.
  • Der Hauptanschluss 1 mit innenliegendem Kurzschließer erfolgt bei den Ausführungen mit Überstromauslösung bevorzugt über ein Außengewinde.
  • Der Sicherungsschmelzleiter 15 kann entsprechend der Auslösefunktion des Kurzschließers eine beliebige Kennlinie und Nennstromstärke besitzen. Das Schaltvermögen des Sicherungselements 15 hingegen ist von untergeordneter Bedeutung, da die Zerstörung des Schmelzleiters quasi im druckfesten Gehäuse der Funkenstrecke erfolgt und die kurzzeitige Trennstrecke kaum einer Lichtbogenbelastung aufgrund der Kurzschlussfunktion ausgesetzt ist.
  • Der Anschlussbereich der Funkenstrecke ist über die Isolierung und den Absatz vor einer Funkenbildung geschützt. Es ist jedoch auch möglich, die aktiven Teile des Kurzschließers, insbesondere die beweglichen Teile, durch einen Schlauch oder eine Hülse mit oder ohne Führung vor üblichen Löschhilfsstoffen der Sicherungsherstellung gegen die Schmelzpartikel zu schützen. Bei der gewählten Konstruktion gemäß der Darstellung nach Fig. 3 wird die Feder 8 bereits vor der Montage im Anschluss vorgespannt, wodurch diese festgelegt ist.
  • Die Darstellung gemäß Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante, bei welcher die Vorspannung der Feder 8 erst bei der Montage der gesamten Funkenstreckenanordnung erfolgt und daher selbst im montierten Zustand noch einstellbar ist.
  • Die Darstellung nach Fig. 4 ist wiederum nur beispielhaft und schränkt den Erfindungskern nicht ein.
  • Das Kurzschließelement 6 wird, wie in der Fig. 3 gezeigt, mit Hilfe eines Schmelzleiters 15 durch ein temperatursensibles Material am Punkt 7a befestigt. Die Feder 8 ist am Kurzschließelement 6 geführt und kann auf der gegenüberliegenden Seite an einem festen oder auch variablen Absatz 20 im Anschluss 1 gegengelagert werden.
  • Der Schmelzleiter 15 ist auf der Seite des Hilfsanschlusses 16 am Befestigungspunkt 7b fixiert.
  • Der Hilfsanschluss 16 wird in der Hülse 21 geführt und ist gegenüber dem Anschluss 1 isoliert gehalten. Hierbei kann die Hülse 21 oder der Absatz 20 im Anschluss 1 aus Isolationsmaterial bestehen oder es ist wiederum eine Isolation entsprechend dem Teil. 19 gemäß Fig. 3 zwischen den Teilen 16 und 21 vorhanden.
  • Die Isolation kann auch als isolierende Beschichtung ausgeführt werden. Die Hülse 21 ist gegenüber dem Absatz 20 im Anschluss 1 z.B. über ein entsprechendes Gewinde beweglich. Durch das Verstellen der Position der Hülse 21 im Absatz 20 des Anschlusses 1 kann die Federvorspannung der Feder 8 eingestellt werden. Hierbei ist jedoch der Abstand und der Hubweg zur Gegenelektrode 4a zu beachten.
  • Die Fig. 5 bis 7 zeigen Anwendungsfälle für eine Funkenstrecke mit Kurzschließeinrichtung entsprechend den Ausführungsformen, wie sie anhand der Fig. 3 und 4 erläutert wurden.
  • So zeigt die Fig. 5 eine Funkenstrecke 22 mit Triggerschaltung 23, welche mindestens über zwei Anschlüsse verfügt, die mit der Funkenstrecke 22 über die Teile 5 und 16 kontaktiert sind.
  • Der Sicherungsschmelzleiter 15 des Kurzschließers wird hierbei so ausgelegt, dass eine Überlastung der Triggerschaltung vermieden werden kann bzw. ein möglicher Schadensfall der Triggerschaltung 23 stark eingeschränkt ist.
  • Die Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild, bei welchem der Strom durch ein parallel zu der Funkenstrecke 22 geschaltetes Element 24 überwacht werden kann. Das Element 24 kann hierbei z.B. ein weiteres Überspannungsschutzelement, ein elektronisches Gerät, ein elektronischer Kurzschließer oder Ähnliches sein.
  • Fig. 7 stellt ein Blockschaltbild dar, bei welchem der Kurzschließer der Funkenstrecke 22 über einen Hilfskreis 25 direkt über eine Signalabgabe einer Steuerung 26 ansteuerbar ist. Der Hilfskreis 25 kann in einfachster Weise ein steuerbares Element, z.B. ein Thyristor, ein Transistor, ein Gasentladungsableiter, eine Funkenstrecke oder Ähnliches sein.
  • Die Steuerung 26 kann auf beliebige Erfassungssignale, wie z.B. Störlichtbögen, Brandsensoren, Isolationswächter und dergleichen reagieren. Mit Hilfe eines Überstromschutzgeräts 26 kann anstelle eines Kurzschlusses der Anlage auch deren Abschaltung bewirkt werden.
  • Die Kurzschließeinrichtung der vorgestellten Funkenstreckenanordnung ist zusammengefasst ohne zusätzlichen äußeren Platzbedarf innerhalb einer druckfesten Kapselung der Funkenstrecke anordenbar und reagiert auf äußere aufgeprägte bzw. innere Temperaturerhöhungen, wobei der Kurzschluss zwischen den beiden Hauptelektroden realisiert wird.
  • Es liegt keine Einschränkung der Dauerstromtragfähigkeit gegenüber dem Anschlussquerschnitt der Funkenstrecken vor und es ist bevorzugt das Kurzschließelement bzw. seine Befestigung direkt der Lichtbogeneinwirkung ausgesetzt.
  • Das Ansprechverhalten wird durch die Schmelztemperatur einer temperatursensiblen Befestigung bzw. Substanz bestimmt. Die Ansprechverzögerung ist durch die Position, die Geometrie und die Materialeigenschaften des Kurzschließelements bzw. seiner Befestigung bestimmbar. Letztendlich kann die Ansprechverzögerung durch die Positionierung des Kurzschließelements und durch das unterschiedliche Laufverhalten des Lichtbogens innerhalb der Funkenstrecke bestimmt oder gesteuert werden.
  • Die Ansprechverzögerung kann trotz gleichem Leistungsumsatz bei Impuls- und Dauerströmen unterschiedlich gewählt werden. Es ist möglich, die Ansprechverzögerung bei kleinerem Leistungsumsatz bei kleinen Dauerströmen geringer als bei Impulsströmen mit hohem Leistungsumsatz auszuführen.
  • Über die Befestigung eines Schmelzleiters an verschiedenen Punkten können voneinander unabhängig einstellbare temperatursensible Auslösemöglichkeiten geschaffen werden.
  • Es sei noch darauf aufmerksam gemacht, dass eine direkte Übertragung des Lichtbogens auf das Kurzschlusselement bereits bei einer Lösung gemäß Darstellung nach Fig. 1 möglich ist, da der Abstand zwischen Kurzschließer und Gegenelektrode geringer ist als der Elektrodenabstand. Dies ist allerdings keine Voraussetzung für die Übertragung, da diese auch bei langen Distanzen zwischen Kurzschließer und Gegenelektrode durch die Wahl der Materialien bzw. der Stromkräfte oder gezielte Gasströmungen möglich ist.
  • Die direkte Übertragung des Lichtbogens erfordert ein hochwertiges Material des Kurzschließers. Zusätzlich ist es günstig, die Stromzuführung zum Kurzschließer von der thermisch sensiblen Befestigung des Bolzens 6 zu trennen. Diesbezüglich sei auf die Darstellungen gemäß den Fig. 8a und 8b verwiesen.
  • Diese Figuren zeigen das direkte Fußen des Lichtbogens 11 nach dessen Wanderung auf dem Kurzschließerbolzen 6, welcher zumindest an der Oberfläche abbrandfest ausgeführt ist. Es erfolgt somit ein direkter Wärmeübergang vom Lichtbogen auf den Kurzschließer. Die Schmelztemperatur der Lotstelle 7 kann somit sehr schnell erreicht werden. Bei hohen Strömen ist es von Vorteil, die Stromführung von der temperatursensiblen Verbindungsstelle zu entkoppeln. Wird der Strom unmittelbar über die Lotstelle geführt, können die Stromkräfte das Fließverhalten des Lotes negativ beeinflussen und die Bewegung des Bolzens wird gehemmt. Unter ungünstigen Bedingungen kann es sogar zum Verschweißen der Teile kommen.
  • Die Fig. 8a zeigt eine Möglichkeit zur Trennung der mechanischen Verbindung und des elektrischen Stromflusses. Hierfür besitzt der Bolzen 6 einen separaten Kontaktbereich 27, welcher in gutem elektrischen Kontakt mit der Elektrode 1 im Bereich 28 steht. Der Übergangsbereich 27, 28 ist durch die Materialien und die Toleranzen so gewählt, dass eine sehr gute elektrische Verbindung besteht, welche selbst bei hohen Strömen nicht verschweißt und eine geringe Reibung besitzt. Materialien, die hierfür zum Einsatz kommen, sind von Schaltgeräten bzw. rotierenden elektrischen Maschinen bekannt. Zusätzlich kann der Stromfluss im Bereich der Lotstelle 7 durch eine entsprechende Materialwahl oder elektrische Isolation reduziert oder unterbunden werden (nicht gezeigt).
  • Alternativ zum elektrisch leitenden Lot können auch temperatursensible Materialien 7 geringer elektrischer Leitfähigkeit, aber auch isolierende Materialien eingesetzt werden.
  • Die Fig. 8b zeigt eine alternative Möglichkeit zur Realisierung der beschriebenen Entkopplung.
  • Hier wird der Bolzen 6 mit einer flexiblen Litze 29 bzw. einem flexiblen Balg 30 versehen, welcher die Bewegung des Bolzens 6 nicht einschränkt, aber gleichzeitig eine dauerhafte gute elektrische Verbindung realisiert. Die Litze 29 bzw. der Balg 30 können an dem Anschlussteil 9 oder aber auch an der Elektrode 1 befestigt bzw. verklemmt sein.
  • Wenn der Kurzschließer sehr kostengünstig gefertigt werden soll und wenn die Lichtbogenübertragung aufgrund geringer Baugrößen und Distanzen auf den Kurzschließer nicht sicher vermieden werden kann, besteht die Möglichkeit, eine Abschottung vorzusehen. Dabei wird die Wärmeübertragung durch den direkten Lichtbogen reduziert, jedoch ist bei den geringen Abmessungen die Wärmeleitung ausreichend gut, so dass die Auslösezeiten sich kaum verändern. Die Bewegung des Kurzschließers wird in diesem Fall nicht durch Abbrandpartikel, welche bei preiswerten Materialien kaum zu verhindern sind, behindert. Fig. 9 zeigt eine diesbezügliche beispielhafte Darstellung. Demnach lässt die Fig. 9 eine Anordnung zur Vermeidung des Lichtbogenansatzes am Kurzschließerbolzen 6 erkennen. Dies ist bei sehr preiswerten Materialien für den Bolzen 6 und sehr engen Platzverhältnissen, bei denen ein Übergang des Lichtbogens in diesem Bereich sonst nicht sicher auszuschließen ist, sinnvoll. Hierzu wird ein, in diesem Fall isolierendes, Schutzteil 14 bis zur Gegenelektrode 4a verlängert.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Außenanschlüsse bzw. Hauptanschlüsse der Funkenstrecke
    2
    druckfester, bevorzugt metallischer Mantel
    3
    Isolierung
    4a, 4a
    Hauptelektrode
    5
    Hilfselektrode / Triggerelektrode
    6
    bewegliches leitfähiges Kurzschließelement
    7, 7a, 7b
    temperatursensible Befestigung des beweglichen Kurzschließelements
    8
    Feder
    9
    Schraube
    10
    Stift
    11
    Lichtbogen
    12
    isolierende Folie
    13
    Dorn
    14
    Schutzwall
    15
    Schmelzleiter
    16
    Hilfsanschluss
    17
    Endkontakt / Anschlag
    18
    Vorsprung
    19
    Isolierung
    20
    Absatz
    21
    Hülse
    22
    Funkenstrecke
    23
    Triggerschaltung
    24
    Parallelelement
    25
    Hilfskreis
    26
    Steuerung
    27
    Überstromschutzgerät
    28
    vorgesehener Bereich in der Elektrode 1
    29
    flexible Litze
    30
    flexibler Balg

Claims (18)

  1. Funkenstreckenanordnung mit einer Kurzschließeinrichtung, umfassend zwei gegenüberliegende, in einem druckfesten Gehäuse (2) angeordnete Hauptelektroden (4a, 4b), welche jeweils mit einem Außenanschluss (1) in elektrischer Verbindung stehen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in mindestens einer der Hauptelektroden (4a, 4b) ein Hohlraum vorgesehen ist, welcher ein bewegliches, leitfähiges Kurzschließelement (6) aufnimmt, wobei das Kurzschließelement (6) eine geometrische Form derart aufweist, dass der Abstand zwischen den Hauptelektroden (4a, 4b) überbrückbar ist und das Kurzschließelement (6) mit einer Vorspannkraft beaufschlagt ist, welche bei thermischer oder Überstromlast freigegeben wird.
  2. Anordnung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kurzschließelement (6) im Hohlraum auf Passung gelagert ist und die Vorspannkraft durch ein Federelement (8) erzeugt wird.
  3. Anordnung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorspannkraft des Federelements (8) einstellbar und hierfür in der das Kurzschließelement (6) aufnehmenden Hauptelektrode (4b) eine Durchgangsbohrung vorgesehen ist.
  4. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kurzschließelement (6) im oder am Hohlraum mittels einer temperaturempfindlichen Substanz (7) oder einem derartigen Element gehalten ist.
  5. Anordnung nach Anspruch 2 und 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich die temperaturempfindliche Substanz (7) im Passungsraum befindet und
    in engem thermischen Kontakt zur entsprechenden Hauptelektrode (4a, 4b) steht.
  6. Anordnung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Durchgangsbohrung eine Stellschraube (9) aufnimmt, welche auf das Federelement (8) einwirkt, wobei sich das Federelement (8) zwischen dem Kurzschließelement (6) und der Stellschraube (9) befindet.
  7. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    am zum Lichtbogenbrennraum orientierten Abschnitt des Hohlraums, die Öffnung seitlich umgebend, mindestens ein wallartiger Vorsprung (14) vorgesehen ist, welcher den Hohlraum vor Verschmutzung schützt und die Bewegung des Kurzschließelements (6) als Führung fördert.
  8. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Kurzschließelement (6) an seinem zur Gegen-Hauptelektrode orientierten Ende mindestens einen Dorn (13) aufweist, welcher eine auf der Gegen-Hauptelektrode befindliche Isolierschicht oder Isolierfolie (12) durchdringen kann.
  9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorspannkraft über das Lösen oder Auftrennen eines Sicherungsschmelzleiters (15) freigebbar ist.
  10. Anordnung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Ende des Sicherungsschmelzleiters (15) mit einem gegenüber der jeweiligen Hauptelektrode isoliert geführten Hilfsanschluss (16) in Verbindung steht, wobei das weitere Ende über das Kurzschließelement (6) mit der Hauptelektrode (4b) kontaktiert ist, um einen Auslösestrom zu führen.
  11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Sicherungsschmelzleiter (15) mit einem temperaturempfindlichen Lot am Kurzschließelement (6) und/oder dem Hilfsanschluss (16) befestigt ist.
  12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich der Sicherungsschmelzleiter (15) im Inneren einer vorgespannten oder vorspannbaren Schraubendruckfeder (8) befindet.
  13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich der Sicherungsschmelzleiter (15) in einer Durchgangsbohrung der Hauptelektrode (4b) befindet, wobei sich die Durchgangsbohrung am Hohlraum anschließt oder Bestandteil des Hohlraums ist.
  14. Anordnung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Lötbefestigungspunkte (7a, 7b) des Sicherungsschmelzleiters (15) eine unterschiedliche Temperaturempfindlichkeit besitzen.
  15. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Austrittsbereich des Kurzschließelements (6) ein Kontaktabsatz oder ein Kontaktring (17) im oder am Hohlraum, bevorzugt an dessen zum Lichtbogenbrennraum weisenden Ende vorgesehen ist.
  16. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mindestens die Hauptelektroden (4a, 4b) rotationssymmetrisch ausgebildet sind.
  17. Anordnung nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine der Hauptelektroden (4b) eine Topfform aufweist und die gegenüberliegende Hauptelektrode (4a) in das Topfinnere hineinreicht.
  18. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine in den Lichtbogenbrennraum hinein geführte Triggerelektrode (5) vorgesehen ist.
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