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    • 专利摘要:
    DieErfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtungauf Funkenstreckenbasis, insbesondere für Niederspannungs-Anwendungen,umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindlicheHauptelektroden sowie mindestens eine Zündhilfselektrode, wobei imGehäusevolumeneine Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstreckeuntergebracht ist, welche mit einer der Hauptelektroden und derZündhilfselektrodein Verbindung steht. Erfindungsgemäß besteht die Funktionsbaugruppe zumReduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke aus einer vollständig indas druckdichte Gehäuseintegrierten, außerhalbdes Lichtbogen-Brennraums befindlichen Reihenschaltung eines spannungsschaltendenElements, einer Impedanz und einer Trennstrecke, wobei die Trennstreckedurch den Abstand der Zündhilfselektrode zurnächstliegendenHauptelektrode gebildet ist. Beim Auftreten einer Überspannung,welche die Summe der Ansprechspannungen des Schaltelements und derTrennstrecke übersteigt,fließtein Strom von der ersten Hauptelektrode zur zweiten Hauptelektrode,mit der Folge, dass der die Trennstrecke überbrückende Lichtbogen Ladungsträger zursofortigen Ionisation der Trennstrecke zwischen den Hauptelektrodenbereitstellt, wodurch die Spannungsfestigkeit dieser Trennstreckeverringert ist und aufgrund des mit der Stromstärke steigenden Spannungsabfallsan der Impedanz ein Überschreitender reduzierten Spannungsfestigkeit der Trennstrecke zwischen den...
    公开号:DE102004006988A1
    申请号:DE102004006988
    申请日:2004-02-12
    公开日:2005-06-30
    发明作者:Arnd Dr.-Ing. Ehrhardt；Peter Dr.-Ing. Zahlmann
    申请人:Dehn and Soehne GmbH and Co KG；
    IPC主号:H01T2-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtungauf Funkenstreckenbasis, umfassend mindestens zwei in einem druckdichtenGehäusebefindliche Hauptelektroden sowie mindestens eine Zündhilfselektrode,wobei im Gehäusevolumen eineFunktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstreckeuntergebracht ist, welche mit einer der Hauptelektroden und der Zündhilfselektrodein Verbindung steht, gemäß Oberbegriffdes Patentanspruchs 1.
    [0002] DerTrend bei der Entwicklung elektrischer und elektronischer Anlagengeht hin zu größerer Kompaktheitund geringeren Außenabmessungen. Gleichzeitigsteigt aber die Empfindlichkeit gegenüber inneren und äußeren Überspannungenderartiger Anlagen. Darüberhinaus besteht der Wunsch und auch die Notwendigkeit nach einemmöglichststörungsfreienBetrieb von elektrischen und elektronischen Einrichtungen, woraussich neue Anforderungen an die Überspannungsschutztechnikergeben.
    [0003] Sosind Überspannungsableitermit reduzierter Ansprechspannung z.B. aus der DE 199 52 004 A1 oder der DE 198 03 636 A1 bekanntgeworden. Um die Anlagen noch kompakter zu gestalten, verstärkt sichin den letzten Jahren die Tendenz, Blitzstromableiter zum Grobschutzund Überspannungsableiterzum Feinschutz ohne die früher übliche Entkopplung über Kabelstreckenbzw. durch speziell bemessene Induktivitäten direkt räumlich nebeneinanderanzuordnen.
    [0004] Damitdas leistungsschwächereFeinschutzelement nicht zwangsweise bei einer solchen kompaktenAnordnung überlastetwird, ergeben sich spezielle Anforderungen an den Blitzstromableiterbzw. das Grobschutzelement.
    [0005] ZurRealisierung dieser Aufgabenstellung wurde es bekannt, separateund extern an die Blitzstromableiter auf Funkenstreckenbasis angekoppelte,zum Teil recht komplexe Zündhilfeneinzusetzen. Gemäß DE 199 52 004 A1 übernehmendiese Zündhilfenunter bestimmten Bedingungen auch Funktionen oder Teilfunktionendes Feinschutzes.
    [0006] ImAllgemeinen sind die Zündhilfenbei leistungsfähigen Überspannungsableiternfür denEinsatz in Niederspannungsnetzen zwischen L und N bzw. auch N undPE als aktive Zündhilfenausgeführt. DieseZündhilfengenerieren mit Hilfe eines Impulsübertragers eine hohe Zündspannung,durch welche bei einer typischen Dreielektroden-Funkenstreckenanordnungeine der Teilstrecken überschlagenwird.
    [0007] Nachteiligbei einer solchen Lösungist einerseits der zum Teil beachtliche Platzbedarf der Zündhilfe,die in der Regel aus einer Vielzahl von Bauelementen besteht, undandererseits die sich daraus ergebenden Störfaktoren.
    [0008] DerPlatzbedarf dieser Zündeinrichtung schränkt beiden relativ geringen Abmessungen der Überspannungsableiter die konstruktivenMöglichkeitenfür dasHauptfunktionselement, nämlichdie eigentliche Funkenstrecke ein. Diese Einschränkung betrifft nicht nur dasallgemein zur Verfügungstehende Volumen, sondern auch die Notwendigkeit der erforderlichenzusätzlichenKontaktierung einer dritten Elektrode.
    [0009] Gegenüber einereinfachen Funkenstrecke ohne Zündhilfeergibt sich derzeit eine Vielzahl an zusätzlichen Störquellen.
    [0010] Inder Funkenstrecke an sich muss nicht mehr nur die Funktion einerTrennstrecke gewährleistetwerden, sondern die Funktion von zwei oder sogar drei Trennstreckenzwischen der Dreielektroden-Anordnung. Kommt es zu Schädigungeneiner dieser Trennstrecken, besteht die Gefahr des Versagens des Ableiters.Hierbei kann es zu Schädeninnerhalb der Funkenstrecke, aber auch der Zündhilfe selbst kommen. Dieskann insbesondere bei Überlastungender Zündhilfeschnell zu einer Zerstörung desgesamten Ableiters und zu einer Gefährdung benachbarter Elementeführen.Selbiges ist jedoch nicht nur bei Beschädigungen innerhalb der Funkenstrecke,sondern auch bei Störungenwie Erschütterungen,Schwingungen, Abbrand, mangelhafte Installation und so weiter, Beschädigungenoder Korrosion der Kontakte der Zündeinrichtung mit den Hauptanschlüssen bzw.den Verbindern zur Funkenstrecke durchaus möglich.
    [0011] Schlechteoder gealterte Kontaktstellen könnenaußerhalbder Funkenstrecke zur Funkenbildung und letztendlich zum Außenüberschlagder Funkenstrecke führen.
    [0012] Zwargibt es durchaus Möglichkeiten,die Zündhilfenvor Überlastungzumindest teilweise zu schützen,jedoch bedeuten solche Maßnahmen,wie beispielsweise in der DE199 14 313 A1 gezeigt, nur weiteren, kostenintensiven Aufwandund Platzbedarf.
    [0013] Beiall den oben erläutertenSchwierigkeiten ist jedoch eine Zündhilfe für gewünschte tiefe Schutzpegel unabdingbar.Die allgemeine Reduktion des Abstands der Hauptelektroden, wie diesbei älteren Geräten desStandes der Technik der Fall war, ist bei modernen Ableitern nichtzielführend,da bei den üblichengeometrischen Bedingungen die erforderlichen Abstände nichtrealisierbar sind bzw. diese eine deutliche Verschlechterung dererreichbaren Stoßstromwertebedeuten.
    [0014] Beider gattungsbildenden DE101 57 817 A1 wird eine Anordnung für eine Trennfunkenstrecke vorgestellt,bei welcher eine konventionelle aktive Zündhilfe mit einem Impulsübertragerin einem von den Elektroden kammerförmig umschlossenen Gehäuse integriertist.
    [0015] DieseAnordnung hat jedoch den Nachteil, dass eine aktive Zündhilfenotwendig ist, wodurch der Platzbedarf und die Störanfälligkeitsteigen. Diese sichere Funktionsweise aktiver Zündhilfen wird z.B. unter anderemdurch Veränderungder Ansprechwerte und des Isolationswerts der einzelnen Trennstreckengestört.Da diese Erscheinungen mit der Anzahl und der Höhe der Belastungen zunehmen,kann dies zur thermischen Überlastungbzw. sogar zum Versagen der Zündhilfeführen.Die Gefahr der thermischen Überlastungerhöhtsich bei der oben erwähntenAnordnung zusätzlichdurch die mangelnde Kühlung bzw.auch durch die Aufheizung infolge des Leistungsumsatzes in der Funkenstreckeund damit der Zündeinrichtungbei Belastungen.
    [0016] DieAusführungder Elektroden gemäß DE 101 57 817 A1 müsste zudemrelativ groß sein,damit einerseits die Zündhilfeaufgenommen werden kann und andererseits die Zündhilfe vor einer Temperatureinwirkungder thermisch stark belasteten Elektroden geschützt ist. Des weiteren bestehtdie Notwendigkeit des Kraftschlusses zur Herstellung reproduzierbarerAbständeder Teilfunkenstrecken zwischen den Elektroden, wodurch die Zündhilfenicht nur thermisch, sondern auch durch mechanische Kräfte belastetwird.
    [0017] Ebenfallstreten starke dynamische Belastungen zwischen den Elektroden beimAnsprechen der Funkenstrecke auf. Weitere Einschränkungenergeben sich bei dieser Anordnung bei dem Einsatz in einer Funkenstreckefür Netzanwendungen.Im Gegensatz zur Trennfunkenstrecke müssen Netzfunkenstrecken Folgeströme im kA-Bereichbeherrschen und lösen,wodurch nicht nur weitere und insbesondere länger einwirkende thermischeBelastungen auftreten, sondern auch entsprechende Folgestrom löschendebzw. sogar Folgestrom begrenzende Maßnahmen realisiert werden müssen. Insbesonderehinsichtlich der Möglichkeitenzur Begrenzung des Netzfolgestroms in konventionellen Abmessungender Überspannungsableiterfür Netzanwendung, welcheim Allgemeinen kleiner als Trennfunkenstrecken sind, führt eineAnordnung, wie in der DE101 57 817 A1 vorgestellt, zu extremen Einschränkungen beider Wahl einer geeigneten Methode zur Strombegrenzung.
    [0018] Inder DE 195 10 181A1 wird eine Zündhilfe auseiner ersten Funkenstrecke, welche der Zündung eines Überschlagsdient, und einer zweiten Funkenstrecke, welche der ersten parallelgeschaltet ist und der Löschungdes Folgestroms dient, vorgestellt. Weiterhin wird dort auf dieIntegration einer passi ven, einfachen Zündhilfe in einer Funkenstreckeverwiesen. Bei den dargestellten Funkenstrecken dient die ersteFunkenstrecke der Einstellung der Ansprechspannung und der entstehendeFunke der Vorionisation der zweiten, längeren und stromtragfähigeren Funkenstrecke.Infolge der Vorionisation und des Spannungsabfalls über dermit der Funkenstrecke in Reihe geschalteten Impedanz wird die zweiteFunkenstrecke gezündet.Die zweite Funkenstrecke besitzt im Gegensatz zur ersten Funkenstreckeeine hohe Stoßstrom-Tragfähigkeitund ein gutes Folgestrom-Löschvermögen.
    [0019] Nachteiligist bei dieser Lösungjedoch, dass die erste Funkenstrecke den thermischen Belastungeninfolge des Lichtbogens und auch den Verunreinigungen infolge derBelastungen ausgesetzt ist. Das Einhalten von niedrigen und nahezukonstanten Ansprechspannungen wird hierdurch erschwert oder unmöglich. Beieiner räumlichgetrennten Anordnung von erster und zweiter Funkenstrecke kann zwardie Einhaltung eines niedrigen Ansprechwerts gewährleistet werden, nachteiligist jedoch, dass auf die Vorionisation der zweiten Funkenstreckezur Herabsetzung der Ansprechspannung verzichtet werden muss. Dadurchmuss der Spannungsabfall überder Impendanz bis zum Erreichen der unverminderten Ansprechspannungder zweiten Funkenstrecke erhöhtwerden. Sollen niedrigere Ansprechwerte der gesamten Funkenstreckeerreicht werden, wird die Wahl und die Leistungsfähigkeitder zweiten Funkenstrecke nach DE 195 10 181 C1 eingeschränkt.
    [0020] Gemäß der Stapelfunkenstreckefür Mittel- undHochspannungsanwendungen nach US 3,223,874 weiseneinzelne Funkenstrecken eine Zündhilfezur Vorionisation auf. Diese Anordnung kann zumindest teilgekapseltausgeführtwerden. Eine derartige Art der Funkenstrecken ist jedoch nur für geringeStoßstrombelastungen8/20 μsausgelegt und kann den Drückenund den Krafteinwirkungen von nennenwerten Blitzstoßströmen nichtstandhalten. Das bei einer solchen Anordnung teilweise vorhandeneLöschvermögen für Folgeströme resultiert zumgrößten Teilaus der Reihenschaltung einer Vielzahl von Teilfunkenstrecken mitjeweils einer Zündhilfe.Ein solcher Aufwand ist fürNiederspannungsanordnungen jedoch nicht gerechtfertigt.
    [0021] DieZündhilfeist direkt mit den jeweiligen Hauptelektroden der Funkenstreckeverbunden. Sie besitzt keine dritte Hilfselektrode und es erfolgtkeine direkte Entladung unmittelbar zwischen den Hauptelektroden.Die Art der Vorionisation beruht dort auf Teilentladungen, welchesich überbeide Seite der Oberflächeeines vorhandenen Isolationsteils ausbreiten. Eine Möglichkeitzu einer Funkenentladung, wie sie üblicherweise bei modernen Niederspannungs-Ableiterngenutzt wird, besteht nicht, da sich die Hilfselektroden der Zündhilfeauf entgegengesetzten Seiten des Isolators befinden. Diese Form derZündhilfeist bei hohen Potentialdifferenzen von mehreren kV für eine rascheZündungausreichend. Soll jedoch die Ansprechspannung < 1 kV betragen, ist eine derartigeAusführungsformeiner Zündhilfe nichteffizient. Im Übrigenist die gesamte Zündhilfe schutzlosder Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt, was sowohl zu Störungen beideren Funktion als auch zur gänzlichenZerstörungführenkann.
    [0022] Essind Ausführungenmit Hilfsfunkenstrecken bekannt geworden, bei denen eine Funkenentladungmöglichist. Bei derartigen Anordnungen wird die Entladung von der Hilfsfunkenstrecke,bei welcher der Stromfluß durchverschiedene Maßnahmen begrenztwird, auf die Hauptelektroden übergeben. Beiderartigen Lösungenmüssteunabhängigvon der Verzugszeit bis zum Zündender Hauptfunkenstrecke jedoch bereits die Hilfsfunkenstrecke miteiner geeigneten Zündhilfeausgestattet sein, um selbst eine Ansprechspannung von z.B. < 1 kV zuverlässig zuhalten.
    [0023] DieWO 03/021735 A1 zeigt eine vereinfachte Zündhilfe für Überspannungsableiter, welchesich zumindest partiell im Inneren der Funkenstrecke befinden kann.Diese Zündhilfeberuht auf einer Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements undeines sogenannten Zündelements.Die Ansprechspannung des Ableiters wird hierbei vorteilhafterweise durchdas spannungsschaltende Element bestimmt. Die Hauptfunkenstreckewird dadurch gezündet, dassnach dem Zündendes spannungsschaltenden Elements ein Strom über das Zündelement fließt, wodurch über derHauptfunkenstrecke eine Spannung aufgebaut wird. Infolge eines schlechtenelektrischen Kontaktes zwischen dem Zündele ment und einer Hauptelektrodesoll es dann zur Funkenbildung kommen. Der Funke wandert entlangdes Zündelements undverlängertsich, bis die Hauptfunkenstrecke überschlägt. Diese Lösung besitzt funktionsbedingt wesentlicheNachteile. Das entscheidende Bauelement für eine sichere Funktionsweiseist das sogenannte Zündelement.Dieses befindet sich entsprechend der Funktionsweise unmittelbarim Brennraum des Lichtbogens. Es wird somit nicht nur bei der Zündung einerelektrischen Belastung ausgesetzt, sondern während des gesamten Ableitvorgangs.Ebenso erfolgt eine Belastung bei möglichen Folgeströmen. Diesführt beiallen bekannten Materialien zu beträchtlichen Abschmelzungen. Hiervonsind insbesondere Metalle, aber auch Polymere betroffen. Keramikenneigen aufgrund der starken dynamischen Belastungen schnell zurBruchbildung bzw. veränderninfolgende metallischer oder anderer leitender Ablagerungen ihrenOberflächen-oder Gesamtwiderstand. Hierdurch wird jedoch in starkem Maße der Beginnder Funkenbildung, die elektrische Belastung des Zündelementsund der Beginn, aber auch die Geschwindigkeit der Lichtbogenwanderungentlang des Zündelementsbestimmt.
    [0024] Zusätzlich wirddas Zündelementbei dieser Lösungwährendder gesamten Lichtbogendauer, bestehend aus Impuls- und Folgestrom,infolge der direkt parallelen Anordnung zu den Hauptelektroden undsomit zur gesamten Lichtbogenspannung mit einem Stromfluss belastet,wodurch der elektrische und thermische Stress des Zündelementsund u.U. auch des spannungsschaltenden Elements groß ist. Eineweitere Voraussetzung fürdie Grundfunktion gemäß WO 03/021735A1 ist die notwendige Funkenbildung zwischen in elektrisch leitendemKontakt stehenden Teilen, nämlichder dortigen Elektrode und dem Zündelement.Es dürfteeinleuchtend sein, dass bei der dort beschriebenen Ausführungsformdie Kontaktstelle von Belastung zu Belastung selbst bei einem Federkontaktsich stets aufgrund von Schmelzerscheinungen bzw. von nicht vermeidbarenVerschmutzungen verändert.Ein reproduzierbares Funken an einer solchen Kontaktstelle ist somitnur sehr schwer einstellbar. Die vorerwähnten Einschränkungenführeninsgesamt zu einer sehr komplizierten Geometrie und Materialauswahl.Des weiteren könnendie dynamischen und thermischen Belastungen durch den Lichtbogenund den Folgestrom recht schnell zur Funktionsstörung bzw. zum Defekt führen.
    [0025] Dieeingesetzte Feder zur Kontaktherstellung und Nachführung desZündelementskann eventuell bei Abbrand bzw. Abbruch der Spitze des Zündelementsdieses nachführen.Jedoch kann die Feder weder einen Komplettbruch des Zündelementsnach Veränderungender Kontaktstelle infolge der Bildung von Schmelze an der Elektrodebzw. an dem Zündelementoder die Ablagerungen von Verunreinigungen im Kontaktbereich vermeiden.Selbstverständlich mussauch die Feder vor Abbrandprodukten und den thermischen und dynamischenBelastungen durch den Lichtbogen geschützt werden.
    [0026] Beieiner geringen oder auch nur zeitlich verzögerten Funkenbildung erhöht sichjedoch die Zündverzugszeitder Hauptfunkenstrecke. Einerseits kann sich dadurch die elektrischeBelastung des spannungsschaltenden Elements und auch des Zündelementsdeutlich erhöhen,andererseits steigt die Spannung über dem Zündelement und somit über dergesamten Funkenstrecke stark an. Dies gefährdet auch die zu schützendenElemente und die gewünschtenniedrigen Restspannungswerte des Blitzstromableiters.
    [0027] Einweiterer Nachteil der zitierten Lösung besteht darin, dass derAbstand der Hauptelektroden unmittelbar mit der Länge desZündelementsverbunden ist. Insbesondere fürNetzfunkenstrecken ist jedoch häufigein relativ großerHauptelektroden-Abstand vorteilhaft. Mit zunehmendem Abstand der Hauptelektrodensteigt jedoch auch die Ansprechspannung zwischen den Elektroden.Das heißt,bei höherenAbständenmuss eine stärkereVorionisation zwischen den Hauptelektroden erfolgen, damit es zum Überschlagbei den angestrebten niedrigen Spannungen kommen kann. Ebenso verlängert sich dieStrecke, an welcher der Funke von der schlechten Kontaktstelle entlangwandern muss, bis er die andere Hauptelektrode erreicht. Dies schränkt zudemauch, wie bereits erwähnt,die Wahl der üblichen Mittelzur Folgestromlöschungbzw. -begrenzung ein.
    [0028] DieFunkenstreckenanordnung nach DE 199 52 004 A1 kann sowohl mit einer aktivenals auch mit einer stark vereinfachten passiven Zündhilfebetrieben werden. Diese Zündhilfenbefinden sich alle außerhalbder Funkenstrecke.
    [0029] Im übrigen bestehendie Zündhilfenaus einer Vielzahl von Bauelementen, welche die Aufgabe des Feinschutzes übernehmensollen. Dies bedingt jedoch verhältnismäßig große und leistungsfähige Bauelemente,wodurch eine Integration in die Funkenstrecke erschwert wird. DieAufgabe des Feinschutzes bedingt jedoch auch einen verhältnismäßig hohenLeistungsumsatz und eine zusätzlichethermische Belastung.
    [0030] Beider passiven Zündhilfe,welche vorteilhafterweise nur aus wenigen Bauelementen besteht, würde sichzwar der Platzbedarf reduzieren, jedoch bleibt das Problem des Leistungsumsatzesbei der Realisierung des Feinschutzes bestehen. Nachteilig ist beider DE 199 52 004A1 weiterhin, dass das Ansprechverhalten der Gesamtanordnungdurch die geometrische Ausführungder Funkenstrecke bestimmt wird. In diesem Falle definiert somitdie Ansprechspannung der kürzerenTrennstrecke die Ansprechspannung des gesamten Ableiters. Die aufdiese Weise erzielbaren Ansprechspannungen sind erfahrungsgemäß jedochnicht alterungsstabil und stark vom Belastungszustand der Funkenstreckeabhängig.
    [0031] Auchdie Integration eines PTC-Elements in die Funkenstrecke ist problematisch.Derartige PTC-Elemente erwärmensich aufgrund ihrer Funktionsweise um bis zu mehreren 100 K. Einederartige Erwärmungstellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die Belastbarkeit der Isolationselemente.Zusätzlichist eine derartige Anwendung eines PTC-Elements dadurch erschwert,dass dieses, um die Funktionsweise der Funkenstrecke wieder sicherzustellen,relativ schnell nach Belastung abzukühlen ist. Eine solche Abkühlung würde jedochdurch eine Kapselung erschwert werden.
    [0032] Ausdem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine Überspannungsschutzeinrichtungauf Funkenstreckenbasis, insbesondere für Niederspannungs-Anwendungen,umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindliche Hauptelektrodensowie mit mindestens einer Zündhilfselektrodeanzugeben, welche möglicheStörquellenzwischen Zündhilfeund Funkenstrecke vermeidet und die prinzipiell bei allen bekanntenVerfahren zur Folgestromlöschung,Folgestrombegrenzung oder aber auch der Vermeidung von Folgeströmen bei Funkenstreckeneinsetzbar ist. Die anzugebende Lösung soll also universelleApplikationen, und zwar unabhängigvon der konkreten Elektrodengeometrie gestatten.
    [0033] DieLösungder Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Überspannungsschutzeinrichtungauf Funkenstreckenbasis gemäß der Merkmalskombinationnach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungenund Weiterbildungen darstellen.
    [0034] Gemäß dem Grundgedankender Erfindung wird von einer vereinfachten Zündhilfe ausgegangen, welchezumindest aus einem spannungsschaltenden Element, einer Impedanzund einer Trennstrecke besteht. Die vereinfachte Zündhilfeist bevorzugt zwischen zwei Hauptelektroden sowie vollständig im druckfestenGehäuseder Überspannungsschutzeinrichtung,d.h. in die Funkenstrecke selbst integriert und wird Bestandteildieser. Tritt an einer solchen Anordnung eine Überspannung auf, die die Summeder Ansprechspannungen des Schaltelements und der Trennstrecke derReihenschaltung übersteigt,so spricht die Zündhilfean, wodurch ein Strom überdas spannungsschaltende Element, die Impedanz und die zugehörige Trennstreckevon der ersten Hauptelektrode zur zweiten Hauptelektrode fließt. Durchden Lichtbogen, welcher diese vorerwähnte Trennstrecke überbrückt, werdensofort beim Ansprechen der ZündhilfeLadungsträgerin die Funkenstrecke eingebracht, welche eine sofortige Ionisationder Trennstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden bewirkt, wodurchdie Spannungsfestigkeit dieser Trennstrecke reduziert wird und esinfolge des mit der Stromstärkeansteigenden Spannungsabfalls über derImpedanz es schließlichzum Überschreitender nun reduzierten Spannungsfestigkeit der Trennstrecke zwischenden beiden Hauptelektroden und somit zur Zündung der Funkenstrecke kommt.
    [0035] Durchdie Integration in das druckfeste Gehäuse der Funkenstrecke, jedochaußerhalbdes Brennraums des Lichtbogens, werden alle externen Anschlussproblemeder Zündeinrichtungan die Funkenstrecke beseitigt.
    [0036] Diedruckfeste Kapselung ist fürdas Beherrschen von Drückenbis zu mehreren 10 bar infolge der Belastungen der Funkenstreckebei Blitzen und Netzfolgeströmenausgelegt.
    [0037] Beieiner möglichen Überlastungder Zündhilfewird das Schadenspotential somit wesentlich durch die druckfesteKapselung der Funkenstrecke eingegrenzt. Hierdurch entfallen auchzusätzliche Schutzmaßnahmender Zündhilfeselbst, wie z.B. Sicherungen oder Ähnliches. Eine eventuell gewünschte Bewertungdes Zustands des Ableiters ist ebenfalls stark erleichtert, da nurdie Gesamtfunktion, meßbaran den äußeren Klemmender Funkenstrecke, und nicht einzelne Bauelemente, Verbindungen undKomponenten überwachtwerden müssen.
    [0038] Erfindungsgemäß ist alsodie Zündhilfs-Funktionsbaugruppezum gezielten Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstreckeaus einer vollständigin das druckdichte Gehäuseintegrierten, außerhalbdes Lichtbogen-Brennraums befindlichen Reihenschaltung eines spannungsschaltendenElements, einer Impedanz und einer Trennstrecke gebildet, wobeidie Trennstrecke durch den Abstand der Zündhilfselektrode zur nächstliegendenHauptelektrode definiert ist.
    [0039] Dasspannungsschaltende Element kann beispielsweise ein Gasableitersein. Ebenso besteht die Möglichkeit,das spannungsschaltende Element als Suppressordiode, Thyristor,Varistor und/oder als definiert abbrandfeste Luft- oder Gleitfunkenstrecke auszubilden.
    [0040] DieZündhilfselektrodekann selbst impedanzbehaftet ausgeführt sein und einen komplexen Widerstandbesitzen.
    [0041] Bevorzugtreicht die Zündhilfselektrodepartiell in den Lichtbogen-Brennraum hinein oder befindet sich indiesem.
    [0042] DieZündhilfselektrodekann aus einem leitfähigenKunststoff oder einem Kunststoff mit leitfähigen Zusätzen, wie z.B. leitfähigen Fasernbestehen.
    [0043] DieImpedanz wiederum besteht aus einem Material mit nichtlinearem oderlinearem Widerstandsverlauf.
    [0044] Ebensokann die Impedanz aber auch aus einem leitfähigen Kunststoff oder einerleitfähigenKeramik bestehen.
    [0045] Auchist eine Ausführungsformder Impedanz als diskretes Bauelement, z.B. Widerstand, Varistoroder Kapazitätim Sinne der Erfindung liegend.
    [0046] DieZündhilfselektrodeist gegenüberder Hauptelektrode isoliert, wobei die Ansprechspannungen der sichzu den Hauptelektroden jeweils ergebenden Teilstrecken unterschiedlichgewähltwerden.
    [0047] DieAnsprechspannung e1 der ersten Hauptelektrodezur Zündhilfselektrodeist viel größer alsdie Ansprechspannung der weiteren Trennstrecke e2 gewählt.
    [0048] ZurReduzierung der Ansprechspannung der Trennstrecke e2 istdiese als dünne,abbrandfeste Isolierfolie, als abbrandfeste Lackbeschichtung oder sonstigedünne Isolierschichtausgebildet.
    [0049] Beieiner weiteren bevorzugten Ausführungsformweist die ÜberspannungsschutzeinrichtungMittel zum Beströmendes Lichtbogens mit Hartgas auf.
    [0050] ZumErzeugen des Hartgases umgibt hartgasabgebendes Material mindestensAbschnitte des Lichtbogen-Brennraums, wobei das hartgasabgebendeMaterial zusätzlichleitfähigeEigenschaften aufweist, um das Potential einer der Hauptelektroden bisan die Trennstrecke der Zündhilfselektrodeheranzuführen.
    [0051] Beider Hartgas-Ausführungsvarianteverhindert eine Druckausgleichsöffnung,dass sich überdie Zeit ein unerwünschterDruckanstieg akkumuliert.
    [0052] DieDruckausgleichsöffnungkann durch das Gehäuseoder durch Elektrodenmaterialien gebildet werden, welche mindestensteilweise gasdurchlässig sind.HierfürkönnenAbschnitte des Gehäusesaus einem porösenPolymermaterial, poröserKeramik oder entsprechend porösemMetall bestehen.
    [0053] Die Überspannungsschutzeinrichtungkann bei einer weiteren AusführungsformMittel zur Restspannungsbegrenzung aufweisen.
    [0054] Hierbesteht insbesondere die Möglichkeit, dasleitfähige,hartgasabgebende Material, welches elektrisch mit einer der Hauptelektrodenin Verbindung steht, in einer definierten Geometrie sowie mit definiertenelektrischen Eigenschaften auszuführen, so dass die zielgerichteteBeeinflussung des Verlaufs und der Höhe der Restspannung realisierbarist.
    [0055] Bevorzugtist der Widerstand des hartgasabgebenden Materials gegenüber derImpedanz der Reihenschaltung des Funktionselements niedriger.
    [0056] Dasleitfähige,hartgasabgebende Material trägtwährendder Belastung mit Stoßstromals auch mit Folgeströmeneinen Teil des jeweils fließenden Gesamtstroms,so dass sich die Zuverlässigkeitder erfindungsgemäßen Einrichtungund deren Langzeitstabilitäterhöht.
    [0057] DerStromanteil, welcher vom leitfähigen, hartgasabgebendenMaterial übernommenwird, ist überdas Verhältnisdes Widerstands dieses Materials zum Widerstandswert des Lichtbogensquasi einstellbar.
    [0058] Bevorzugtist der mittlere Wert des Widerstands des leitfähigen, hartgasabgebenden Materials größer gewählt, alsder durchschnittliche, mittlere Widerstandswert des Lichtbogensist.
    [0059] ZumSchutz vor thermischen und/oder mechanischen Belastungen kann beieiner Ausgestaltung der Erfindung das spannungsschaltende Elementund/oder die diskrete Impedanz in eine der Hauptelektroden integriertwerden.
    [0060] Hierfür kann eineder Hauptelektroden einen von außen zugänglichen Hohlraum aufweisen,wodurch auch, wenn nötig,eine Austauschbarkeit des spannungsschaltenden Elements gewährleistetist.
    [0061] Dasspannungsschaltende Element ist in den Hohlraum einpolig isolierteingesetzt, wobei der Hohlraum ein Innengewinde zur Aufnahme einer,das eingesetzte spannungsschaltende Element kontaktierenden leitfähigen Schraubeaufweist.
    [0062] Ineiner weiteren Ausführungsformder Erfindung liegt das zum Lichtbogen-Brennraum reichende Ende der Zündhilfselektrodeim wesentlichen auf gleicher Höhedes in den Brennraum hineinreichenden Endes derjenigen Hauptelektrode,welche der ersten Trennstrecke zugehörig ist.
    [0063] Auchkann die Zündhilfselektrodeseitlich versetzt und/oder bezogen auf den Lichtbogen-Hauptbrennraumzurückgesetztzum Schutz dieser angeordnet werden.
    [0064] Über einergänzendesspannungsschaltendes Element, welches außerhalb der druckdichten Kapselungbefindlich ist, kann eine Einstellung oder Anpassung der Ansprechspannungder Überspannungsschutzeinrichtungerfolgen.
    [0065] Grundsätzlich istdie vorgestellte Überspannungsschutzeinrichtungauch als Kombination aus einer triggerbaren Teilfunkenstrecke hoherAnsprechspannung und mindestens einer nachgeordneten Teilfunkenstreckeniedriger Ansprechspannung realisierbar.
    [0066] Beidieser Ausführungsformkönnendie Teilfunkenstrecken Mittel zur internen Potentialsteuerung aufweisen.
    [0067] DieTeilfunkenstrecken sind überDistanzhalter mechanisch fixiert und verbunden.
    [0068] DieDistanzhalter könnenaus einem leitfähigen,feldsteuernden Material bestehen.
    [0069] DieDistanzhalter und die Elektroden der Teilfunkenstrecken können beieiner Ausführungsform derErfindung eine Ummantelung besitzen, wobei die Um mantelung eineeinseitig elektrisch angeschlossene Schirmung zur gezielten Potentialverzerrung umfasstoder als solche selbst ausgebildet ist.
    [0070] DerAbstand der Elektroden, welche die Teilfunkenstrecke mit Zündhilfselektrodebilden, ist bevorzugt größer gewählt alsder Abstand der Elektroden, die die jeweils folgenden Teilfunkenstreckendefinieren.
    [0071] DerDistanzhalter kann fürdie nicht durch die Zündhilfselektrodetriggerbare Teilfunkenstrecke als ein integrales Bauteil im Sinneder Fertigungsrationalisierung und leichteren Montage ausgeführt werden.
    [0072] ZurVermeidung eines elektrischen Überschlagsaußerhalbdes Lichtbogen-Brennraumssind zusätzlicheIsolierabschnitte oder Isoliermaterialien, bevorzugt im äußeren Bereichder Elektroden der Teilfunkenstrecke vorgesehen oder dort angeordnet.
    [0073] DieDistanzhalter weisen auf ihrer vom Lichtbogen-Brennraum entferntenSeite eine Isolationsbeschichtung oder Isolationsumhüllung auf,was sich als ergänzendeMaßnahmezur Vermeidung unerwünschter Überschläge darstellt.
    [0074] Esbesteht die Möglichkeit,die erste, triggerbare Teilfunkenstrecke durch einen Gasableiterzu ersetzen, welcher die Ansprechspannung der Gesamtanordnung bestimmt,ohne dass hierdurch der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird.
    [0075] Ganzgrundsätzlichkann die erfindungsgemäße Funkenstreckeals Hörnerfunkenstreckeoder aber auch als Stapelfunkenstrecke ausgeführt werden.
    [0076] DieErfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unterZuhilfenahme von Figuren nähererläutertwerden.
    [0077] Hierbeizeigen:
    [0078] 1 einePrinzip-Schnittdarstellung durch eine in einer gekapselten Funkenstreckebefindlichen Zündhilfe;
    [0079] 2 eineAusführungsform ähnlich 1, jedochmit zusätzlichemhartgasabgebenden Material, welches den Lichtbogen-Brennraum umgibt;
    [0080] 3 eineweitere Ausführungsformder Überspannungsschutzeinrichtung ähnlich wiein 2 dargestellt, jedoch mit variierter Heranführung desPotentials der Hauptelektrode an die Zündhilfselektorde;
    [0081] 4 eineDarstellung einer Überspannungsschutzeinrichtungmit einem spannungsschaltenden Element, integriert in eine der Hauptelektroden;
    [0082] 5 eineAusführungsformmit spezieller höhenmäßiger Zuordnungeiner der Hauptelektroden zur Zündhilfselektrode;
    [0083] 6 eineweitere Ausführungsformder Zuordnung von Zündhilfselektodeund benachbarter Hauptelektrode;
    [0084] 7 eineDarstellung mit einem spannungsschaltenden Element außerhalbder druckfesten Kapselung der Funkenstrecke;
    [0085] 8 eineFunkenstrecke, umfassend mehrere Teilfunkenstrecken;
    [0086] 9 eineDarstellung ähnlich 8,jedoch mit einem gemeinsamen Distanzhalter für die nicht triggerbaren Teilfunkenstreckenund
    [0087] 10 eineDarstellung einer Funkenstrecke ähnlichden 8 und 9, jedoch mit zusätzlichenMaßnahmenzur Isolation zum Zweck des Vermeidens von unerwünschten äußeren Durchschlägen.
    [0088] Diepassive Zündhilfe 100 entsprechend 1 istin die druckfeste Kapselung 5 der Funkenstrecke integriert,welche zwei Hauptelektroden 1 und 2 aufweist.Diese Hauptelektroden 1 und 2 sind bei einer z.B.metallischen Kapselung 5 gegenüber dieser isoliert gehalten.
    [0089] DieZündhilfe 100 bestehtaus einem spannungsschaltenden Element 4, bevorzugt einemGasableiter, wobei jedoch auch Suppressordioden, Thyristoren, Varistoren,definiert abbrandfeste Trennstrecken oder eine Kombination dieserElemente geeignet sind. Weiterhin weist die Zündhilfe 100 eine impedanzbehafteteZündhilfselektrode 3 auf.Es besteht auch die Möglichkeit,dass eine diskrete Impedanz 3a als separates Element vorhandenist.
    [0090] AlsImpedanz 3a sind Elemente bzw. Materialien wie Kunststoffeoder Keramiken mit linearen, aber auch mit nichtlinearen Widerständen bzw. Kennliniengeeignet. Beim Einsatz einer diskreten Impedanz 3a kanndiese z.B. als Widerstand, als Varistor, als Kapazität oder aberauch aus Materialien mit entsprechender Charakteristik derartigerBauelemente ausgeführtwerden.
    [0091] DieZündhilfselektrodeoder Zündelektrode 3 istgegenüberden beiden Hauptelektroden 1 und 2 isoliert. DieAnsprechspannungen der sich ergebenden Teilfunkenstrecken e1 und e2 sind jedochunterschiedlich ausgelegt.
    [0092] DieAnsprechspannung der Strecke e1, d.h. derHauptelektrode 1 zur Zündhilfselektrode 3 istviel größer alsdie Ansprechspannung der Strecke e2, gebildetdurch den Abstand der Hauptelektrode 2 zur Zündhilfselektrode 3.
    [0093] DieAnsprechspannung der Strecke e1 ist mindestensgleich, aber im allgemeinen höherals die Ansprechspannung des spannungsschaltenden Elements 4 derZündhilfe 100.
    [0094] DieAnsprechspannung der Strecke e2 ist hingegenhöchstensgleich, aber im Allgemeinen niedriger als die Ansprechspannung desspannungsschaltenden Elements 4 der Zündhilfe 100.
    [0095] Aufdiese Weise ist gewährleistet,dass die Ansprechspannung des gesamten Ableiters im wesentlichendurch die Ansprechspannung des spannungsschaltenden Elements 4 bestimmtwird und damit unabhängigvon den üblichengeometrischen Bedingungen der Hauptfunkenstrecke gewählt werden kann.Vorteilhafterweise sind alle fürdas Ansprechverhalten funktionsrelevanten Teile nicht der direkten Lichtbogeneinwirkungausgesetzt. Einzig ein Ende der Zündhilfselektrode 3,welche bevorzugt selbst impedanzbehaftet, z.B. als leitfähigem Kunststoffausgeführtwerden kann, befindet sich partiell im Lichtbogen-Brennraum undwird isoliert gegenüberden beiden Hauptelektroden 1, 2 ausgeführt.
    [0096] Wenndie Zündhilfselektrode 3 nichtaus einem impedanzbehafteten Material, sondern aus einem niederohmigenMaterial, z.B. Kupfer oder Ähnlichemausgeführtist, wird, wie bereits erwähnt,eine separate Impedanz 3a eingesetzt, die dann vollständig außerhalbder direkten Lichtbogeneinwirkung befindlich ist.
    [0097] Derim Lichtbogen-Brennraum unvermeidbare Abbrand aller Teile kann dieZündhilfselektrode 3 nurpartiell schädigen.Da der Lichtbogenabbrand im gesamten Brennraum der Funkenstreckeallseitig erfolgt, werden alle den Brennraum begrenzenden Teile,also auch die Zündhilfselektrode 3,mit ihren angrenzenden Isolationsteilen nach und nach abgebrannt.
    [0098] Hierdurchist sichergestellt, das die geometrischen Proportionen aller Bauteilenach jeder Belastung weitestgehend gleich bleiben.
    [0099] Infolgeeines ungleichmäßigen Abbrands bzw.infolge von Verunreinigungen kann es aber auch bei dieser Geometriezur Schädigungoder zum Überbrücken derkurzen Isolationsstrecke e2 kommen. Insbesonderebei nahezu allen aktiven externen Zündhilfen würde dies quasi zum Kurzschlussdes Impulsübertragersund somit zum Versagen oder zur Überlastungder Zündhilfeführen.Bei der hier vorgeschlagenen Gestaltung gemäß Ausführungsbeispiel ist dies jedochnicht der Fall. Die entstehenden Verunreinigungen als auch die inder Regel nur partiellen Kontaktbrücken, welche durch Schmelzerscheinungengebildet werden und aufgrund der Auslegung der Bauteile nur geringfügig sind, besitzeneinen vergleichsweise hohen Widerstand und werden durch einen geringenStromfluss beseitigt.
    [0100] Dieelektrischen Parameter der in die Funkenstrecke integrierten Bauelementesind einerseits durch die geometrischen Abmessungen vorgegeben. Andererseitswird aber der Leistungsumsatz auch zugunsten einer einfachen Konstruktionder Kontaktstellen und auch der thermischen Belastung der Isolationsstreckenbegrenzt. Die Leistungsfähigkeitder Zündhilfebei der vorliegenden Ausführungsformbeschränktsich auf kleine Impulsleistungen.
    [0101] Beider der allgemeinen Funktionsbeschreibung dienenden Darstellungnach 1 ist eine prinzipielle, vereinfachte Geometrieeiner möglichen Funkenstreckenanordnunggezeigt. In dieser Anordnung, die lediglich den Zündbereichbetrifft, sind zur Vereinfachung noch keine Maßnahmen zur Folgestrombegrenzungenthalten.
    [0102] DieHauptelektroden 1 und 2 werden in an sich bekannterWeise aus abbrandfesten, elektrisch leitenden Materialien wie Metallen,metallischen Legierungen, Sintermetallen, Grafit, Keramiken oder Verbundkeramikengefertigt.
    [0103] Bezüglich derZündhilfselektrode 3 istnoch anzumerken, dass diese, wie dargelegt, entweder selbst auseinem Material mit erhöhterImpedanz, z.B. Widerstandsmaterial, elektrisch leitfähigem Kunststoff,Kunststoff mit Füllmaterialbesteht oder mit einer separaten Impedanz 3a in Form einesWiderstands verbunden ist.
    [0104] ImKunststoffmaterial der Zündhilfselektrode können zumEinstellen gewünschterImpedanzeigenschaften nicht nur Ruß- oder Grafitelemente oder Metallbzw. Kohlefasern enthalten sein, sondern es besteht die Möglichkeit,Mikrovaristoren oder Nanotubes einzubringen.
    [0105] DieHauptelektrode 1 ist überdas spannungsschaltende Element 4, welches ein Gasentladungsableiter,ein Gasentladungsableiter mit Microgap; eine Fun kenstrecke, eineTrennstrecke, eine Suppressordiode, ein Varistor oder eine Kombination ausden vorgenannten Elementen sein kann, mit der Impedanz 3a bzw.der Zündhilfselektrode 3 innerhalb der äußeren druckfestenKapselung 5 der Funkenstrecke verbunden.
    [0106] Wiedargelegt, bilden die drei Elektroden zwei Teiltrennstrecken e1 und e2, wobei e2 eine deutlich niedrigere Ansprechspannungals die Trennstrecke e1 besitzt.
    [0107] DieAnsprechspannung der Teilstrecke e2 ist gleichoder kleiner als die Ansprechspannung des spannungsschaltenden Elements 4.Da die Gleichansprechspannung des gesamten Ableiters gleich oder kleinerals 1 kV sein soll, ergeben sich besondere Anforderungen an dieAusführungder Trennstrecke e2. Diese Trennstreckee2 kann z.B. durch dünne Folien aus abbrandfestenMaterialien oder durch temperaturbeständige Beschichtungen, aberauch mittels spezieller abbrandfester Lacke realisiert werden.
    [0108] Nachdem Ansprechen des spannungsschaltenden Elements 4 undder Trennstrecke e2 entsteht ein Funkenzwischen der Zündhilfselektrode 3 sowie derHauptelektrode 2. Der Strom fließt von der Hauptelektrode 1 über dieImpedanz 3a, die Zündhilfselektrode 3 undden Funken zur Hauptelektrode 2. Dieser Funke bringt Ladungsträger in denInnenraum der Funkenstrecke ein, wodurch die Spannungsfestigkeit derTrennstrecke e1 sehr schnell reduziert wird.Zwischen der Hauptelektrode 1 und der Zündhilfselektrode 3 gemäß 1 bestehteine Spannungsdifferenz, welche im wesentlichen von der Höhe des Stromes imZündkreisund der Impedanz 3a bestimmt wird. Übersteigt diese Spannungsdifferenzdie durch den Ladungsträgereintragreduzierte Spannungsfestigkeit der Trennstrecke e1,so zündetdiese, übernimmt denStrom und entlastet den Zündkreis.Die Teillichtbögen über denTrennstrecken e1 und e2 verbinden sichund die Funkenstrecke zündetzwischen den Hauptelektroden 1 und 2.
    [0109] 2 zeigteine Funkenstrecke fürNetzanwendungen, insbesondere zwischen L und N. Diese Funkenstreckeist in der Lage, höhereLichtbogenspannungen zu erzeugen. Diese werden im vorliegenden Falldurch das Beströmendes Lichtbogens mit Hartgas realisiert.
    [0110] ZurHartgasbeströmungwird ein hartgasabgebender Stoff 10, z.B. POM, Polytetrafluoräthylen aufPolymerbasis bzw. mineralischer Basis, z.B. CaCO3 oderBaCO3, eingesetzt.
    [0111] Auchkann der Effekt genutzt werden, durch elektrisch leitfähige Zusätze, wieMetallfasern, Ruß, Kohlefasern,Mikrovaristoren, Nanotubes, Metallpartikel, Halbleiterpartikel oderauch an sich leitfähige Polymere,das Potential der Hauptelektrode 2 bis an die Trennstreckeder Zündhilfselektrode 3 heranzuführen.
    [0112] Durchdiese Maßnahmewird die Ansprechspannung der Trennstrecken e1 unde2 nicht verändert; jedoch die wirksameLichtbogenlängezwischen den Hauptelektroden 1 und 2 erhöht.
    [0113] DerZündfunkeentsteht zwischen der Zündhilfselektrode 3 unddem leitfähigenhartgasabgebenden Material 10 und kann sich dann bereitsoder erst nach dem Überschlagder Trennstrecke e1 sehr schnell bis zurHauptelektrode 2 verlängern.
    [0114] Hierdurchwird einerseits die Lichtbogenlängevergrößert undandererseits der Lichtbogen durch das Hartgas gekühlt undbeströmt.
    [0115] BeideMaßnahmenerhöhendie Lichtbogenspannung, wodurch bekanntermaßen eine Strombegrenzung beiNetzfolgeströmenerreicht werden kann. Durch die Erzeugung von Hartgas und die Beströmung desLichtbogens entsteht ein Druckanstieg, der durch die Druckausgleichsöffnung 11 ableitbar ist.Hierdurch wird verhindert, dass in dem druckdicht abgeschlossenenVolumen überdas erzeugte Gas ein allmählicherDruckanstieg auftritt, wodurch die Berstfestigkeit der Funkenstreckenach mehrmaligen Belastungen womöglich überschrittenwerden könnte.
    [0116] ZumDruckausgleich könnenkonstruktiv verhandene Kanälekleinen Querschnitts genutzt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit,auch poröse, für Gase bzw.für bestimmteGasarten durchlässige Gehäusematerialien,wie z.B. porösePolymere, Metalle oder Keramiken, alternativ zu konstruktiven Kanälen einzusetzen.
    [0117] DieAnsprechspannung der Funkenstrecke ist von einer Druckerhöhung z.B.beim Einsatz von Gasentladungsableitern als spannungsschaltendes Element 4 nichtbetroffen.
    [0118] UnterHinweis auf die Darstellung nach 3 kann inanaloger Weise auch das Potential der Hauptelektrode 1 andie Zündhilfselektrode 3 herangeführt werden.
    [0119] Wiebereits erläutert,kann die Distanz der beiden Hauptelektroden ohne Beeinflussung derAnsprechspannung durch den Einsatz entsprechend leitfähiger Materialien 10 verlängert werden.Die Größe des leitfähigen, hartgasabgebendenTeiles 10 wird bevorzugt größer gewählt als die Abmessungen derTrennstrecke e1.
    [0120] Bekanntermaßen belastetauch die Restspannung eines Ableiters, welche erst nach dem Ansprechendes Ableiters und somit bei Stromfluss über den Ableiter auftritt,nachgeschaltete Geräte.Dies ist insbesondere bei der neuen Generation von Überspannungsableiternvon Bedeutung, da diese, wie bereits eingangs erläutert, ohnezusätzlicheEntkopplung die nachgeordneten Geräte bei einem insgesamt niedrigenSchutzpegel schützensoll.
    [0121] DieHöhe derRestspannung bei der Funkenstreckenanordnung entsprechend den 1 und 2 kannin drei Bereiche klassifiziert werden. Ein erster Zeitbereich beginntquasi nach dem Ansprechen des spannungsschaltenden Elements unddem Überschlagder Trennstrecke e2. Es fließt ein Strom über dasspannungsschaltende Element 4, die Impedanz 3 unddas elektrisch leitende Teil 3 (2).
    [0122] DieImpedanz all dieser Elemente bestimmt den Spannungsabfall über denAbleiter. Wird die, durch die Vorionisation herabgesetzte Festigkeitder Strecke e1 überschritten, erfolgt ein Überschlagzwischen der Hauptelektrode 1 und dem Teil 10.Hierdurch erfolgt eine Entlastung des Zündkreises und es reduziertsich die Restspannung um den Spannungsabfall über den Zündkreis. Nun wird die Restspannungim wesentlichen durch das Teil 10 bestimmt. Mit fortschreitenderIonisation zwischen den beiden Hauptelektroden 1 und 2 unddem Wandern des Lichtbogens am Teil 10 entlang, erfolgtder Überschlagzwischen den Hauptelektroden 1 und 2. Zu diesemZeitpunkt wird die Restspannung durch den Lichtbogen zwischen denHauptelektroden bestimmt.
    [0123] Selbstverständlich kannauch der erste Lichtbogenüberschlag über dasTeil 10 erfolgen und anschließend erst der Überschlagder Trennstrecke e1. Dies ist erfindungsgemäß durcheine entsprechende geometrische Gestaltung vermeidbar. Auf diesem Wegeist verhindert, dass die Belastung des Zündkreises steigt.
    [0124] Dader Prozess bis zum Überschlagzwischen den beiden Hauptelektroden eine gewisse Zeitdauer erfordert,steigt die Restspannung währenddieses Zeitraums in Abhängigkeitder aktuell wirksamen Impedanz und des Impulsstroms an. Bei hohenSpannungssteilheiten bzw. Stoßströmen kann dieRestspannung daher unter Umständenzu hohe Werte annehmen, wodurch eine Gefährdung bzw. sogar eine Überlastungder nachgeschalteten Elemente auftreten kann.
    [0125] Erfindungsgemäß wird demleitfähigen,hartgasabgebenden Teil 10 zusätzlich die Aufgabe einer effektivenRestspannungsbegrenzung übertragen. Hierfür ist gemäß Ausführungsbeispieleine bestimmte Bemessung des Widerstands des Teiles 10 erforderlich.
    [0126] Einezielgerichtete Beeinflussung des Verlaufs und der Höhe der Restspannungkann im Übrigendurch die geometrische neben der elektrischen Gestaltung des Teiles 10 erfolgen.Wird der Widerstand des Teiles 10 im Verhältnis zurImpedanz 3a relativ hochohmig gewählt, steigt die Restspannung auchnach dem Überschlagder Trennstrecke e1 weiter an. Es würde alsoinsbesondere bei großenAbmessungen (Länge)des Teiles 10 (größere Zündverzugszeit)die Gefahr einer zu hohen Restspannung bei großen Impulsströmen bestehen.Wird der Widerstand des Teiles 10 hingegen gegenüber derImpedanz 3a niedrig gewählt,kann der Anstieg der Restspannung nach dem Überschlag der Trennstreckee1 reduziert werden, wodurch die Gefahreiner zu hohen Restspannung deutlich reduzierbar ist.
    [0127] Dereffektive wirksame Widerstand des Teiles 10 kann durchdas Material, die Geometrie des Teiles und die jeweilige Kontaktfläche desTeiles 10 an der Elektrode 2 beeinflusst werden.Ebenso wirksam ist jedoch auch die Gestaltung des Übergangsbereichszwischen dem Teil 10 und der Zündhilfselektrode 10 sowiedie Positionierung der Hauptelektrode 1. Wird die Zündhilfselektrode 3 z.B. mit einem größeren Innendurchmesserals das Teil 10 ausgeführt, istsie gegenüberdiem Teil als quasi zurückgesetzt, ergibtsich eine praktisch größere Kontaktfläche am Teil 10 für den Funkenzwischen der Hauptelektrode 1 und dem Teil 10 selbst,wodurch sich ein geringerer wirksamer Widerstand des Teiles 10 einstellt.
    [0128] Istdie Zündhilfselektrodepraktisch einstehend in den Lichtbogen-Brennraum, erhöht sichder Widerstand. Es könnenauch in Richtung der Achsen analog wirkende Maßnahmen der geometrischen Gestaltungdurchgeführtwerden.
    [0129] Zubeachten ist bei der Beeinflussung der Restspannung auch, dass dasMaterial des Teiles 10 durch die Übernahme eines bedeutendenStromanteils von bis zu mehreren kA bei Impulsstrombelastung eineentsprechende elektrische und thermische Belastung erfährt unddafür entsprechendauszulegen ist. Eine thermische Vorbelastung des Teiles 10 während derZündphaseist allerdings auch positiv zu sehen, da insbesondere POM-Materialienbei höhererTemperatur das Hartgas beschleunigt freisetzen. Dies führt zu eineminsgesamt besseren Löschverhaltenbei möglichenFolgeströmen,welche selbstverständlichauch partiell überdas Material des Teiles 10 fließen und dieses elektrisch undthermisch belasten.
    [0130] DieHöhe desWiderstands des Teiles 10 z.B. als Hohlzylinder mit einemAußendurchmesservon 18 mm, einem Innendurchmesser von 4 mm bei einer Höhe von 5mm kann praktisch zwischen mehreren hundert kΩ und Werten bis ca. 1 Ω variiertwerden, ohne dass sich negative Auswirkungen hinsichtlich des Löschvermögens derFunkenstrecke und der Materialauswahl ergeben. Die maximale Begrenzung derRestspannung ergibt sich, wie erläutert, bei niedrigsten Widerstandswerten.
    [0131] Einbeliebiges Reduzieren ist jedoch nicht möglich, da ab bestimmten Wertensich die Gesamteigenschaften der Funkenstrecke nicht vorteilhaft verändern. Prinzipiellkönnendrei Dimensionierungsbereiche fürden mittleren Wert des Widerstands des leitfähigen, gasabgebenden Teiles 10 festgehalten werden: ZTeil 10 > Mittelwertdes Widerstands des Lichtbogens bei Impuls- und Folgeströmen Mittelwertdes Widerstands des Lichtbogens bei Impulströmen < ZTeil 10 < Mittelwertdes Widerstands des Folgestrom-Lichtbogens ZTeil10 < Mittelwertdes Widerstands des Lichtbogens bei Impuls- und Folgeströmen.
    [0132] DerWiderstandswert des Teiles 10 einer Funkenstrecke gemäß den 2 oder 3 erlangt jedochnicht nur bei der Restspannung eine besondere Bedeutung, sondernauch durch seine Wirkung bei der Folgestromlöschung.
    [0133] DasTeil 10 befindet sich bei den beschriebenen Anordnungengrundsätzlichparallel zum Lichtbogen oder zumindest zu Abschnitten des Lichtbogens.Dies gilt füralle Belastungen, bei denen die Funkenstrecke zwischen den Hauptelektrode 1 und 2 gezündet wird.Das Teil 10 übernimmtsowohl währendder Belastung mit Stoßströmen alsauch bei der Belastung mit Folgeströmen immer einen Anteil des Gesamtstroms.Die Höhedieses Anteils ist abhängig vonder Höhedes Widerstandswerts des Teiles 10 und des Quasi-Widerstandsdes Lichtbogens.
    [0134] Bekanntermaßen istdie Strom-Spannungs-Kennlinie eines Lichtbogens nicht linear, sondernvon zahlreichen Faktoren, u.a. der Zusammensetzung des Gases, Druck,Temperatur und so weiter abhängig.Diese Größen werdenin einer realen Funkenstrecke u.a. durch die Geometrie, die eingesetztenMaterialien und die elektrische Belastung bestimmt. Dadurch, dassalle diese Größen selbstbei feststehender Funkenstrecken-Geometrie infolge von Alterungenstark variieren, lässtsich die exakte Lichtbogen-Kennlinie nur ungenügend voraussagen. Betrachtetman den Folgestrom-Lichtbogen bei Wechselspannung, ist jedoch ebensobekannt, dass der Widerstand des Lichtbogens zum Zeitpunkt der Zündung undzum Zeitpunkt des Verlöschenszum Teil deutlich erhöhtist. In diesem Zeitbereich übernimmtsomit der parallele Widerstand des Teiles 10 einen entsprechendhöherenStromanteil bzw. sogar den Gesamtstrom bei niedrigen Werten < 10 Ω. Dem Lichtbogenwerden hierdurch selbstverständlichLadungsträgerentzogen, wodurch die Ionisation stark zurückgeht. Dies führt zu einemvorzeitigen Verlöschendes Lichtbogens. Teil 10 führt hier den Folgestrom biszum Stromnulldurchgang.
    [0135] Eskann der niedrige Widerstandswert des Teiles 10 auch zurVermeidung eines Netzfolgestrom-Lichtbogens dienen. Die Netzspannungist im Verhältniszur treibenden Spannung des Impulstroms vergleichsweise niedrigund zudem von der Phasenlage abhängig.Unter anderem führtdies in der Praxis dazu, dass der Impulsstrom-Lichtbogen häufig nicht unmittelbarin den Netzfolgestrom-Lichtbogen übergeht, sondern dieser erstinfolge der reduzierten Spannungsfestigkeit der Schaltstrecke infolgeder Impulsbelastung zündenkann. Der Parallelwiderstand des Teiles 10 reduziert jedochaufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit quasi die Spannungsbelastungder Schaltstrecke, wodurch die Zündungdes Netzfolgestrom-Lichtbogens verhinderbar ist. In einem solchenFall kann der Netzfolgestrom zum einen komplett verhindert werdenoder es fließtzum anderen nur ein begrenzter Folgestrom über das Teil 10 biszum Stromnulldurchgang. Bei dieser Wirkungsweise wird die Lösch- unddie Zündspitzedes Lichtbogens vermieden. Diese Wirkung ist ein positiver Nebeneffekt,wobei im Übrigennoch keine Gefahr einer Schädigungdes Teiles 10 unabhängigvom gewähltenleitfähigenMaterial gegeben ist.
    [0136] Entsprichtder Widerstand des Teiles 10 jedoch in etwa dem Widerstanddes Folgestrom-Lichtbogens, ist mit einer starken Strombelastungdes Teiles 10 überdie gesamte Lichtbogenphase zu rechnen. Es werden daher nur solcheMaterialien verwendet, die durch eine anhaltende Strom- und Temperatureinwirkungnicht geschädigtwerden können.Bei Funkenstrecken, bei denen eine sehr effektive Folgestrombegrenzungerreicht werden soll, d.h. bei denen die Höhe der Lichtbogenspannung,die die Netzspannung nach spätestenseiner Millisekunde erreicht, besitzt der Lichtbogenwiderstand beiFolgestrom einen Wert im wesentlichen zwischen 0,5 und 1 Ω. Wird dieserWert vom Teil 10 unterschritten, führt dies einerseits zu einerstarken Belastung des Teiles 10, jedoch kann andererseitsder Lichtbogen schneller gelöschtwerden oder es ist eine Zündungverhinderbar.
    [0137] Beider Wahl eines sehr niedrigen Widerstandswerts des Teiles 10 istzu berücksichtigen, dassdie Folgestrombegrenzung sinkt, und dass sowohl die Trennstreckee1 und auch das spannungsschaltende Element 4 dieauftretenden Folgeströme undauch den Abbrand mehrfach beherrschen müssen. Eine Absenkung des Widerstandsdes Teiles 10 bei Funkenstrecken gemäß z.B. 2 unterden im Allgemeinen deutlich geringeren Widerstand des Lichtbogens(ca. < 1/10) beiImpulsströmen,behindert eine gewünschtestarke Folgestrombegrenzung unverhältnismäßig stark. Die starke Differenzzwischen dem Widerstand des Lichtbogens bei Impulsströmen undbei Folgeströmenergibt sich bei Anordnungen entsprechend gemäß 2 u.a. ausder verzögertenAbgabe von Hartgas aus dem hierfüreingesetzten Teil 10.
    [0138] Einesichere Arbeitsweise und eine kaum eingeschränkte Materialauswahl für das Teil 10 ist insbesonderedann gegeben, wenn der mittlere Widerstand des Teiles 10 grundsätzlich höher alsder mittlere Widerstand des Lichtbogens ist. Für spezielle Funkenstreckenanordnungenkönnenjedoch auch Auslegungen sinnvoll sein, bei denen durch Absenkungdes Mittelwerts des Widerstands des Teiles 10 unter denMittelwert des Widerstands des Folgestrom-Lichtbogens ein Lichtbogenbei Folgestrom weitestgehend vermieden werden soll. Eine der artige Anordnungbedarf jedoch aufgrund der hohen elektrischen und thermischen Belastungeneiner besonderer Materialauswahl und Auslegung des Teiles 10. Denkbarsind hier leitfähigeKeramiken, Verbundmaterialien, Varistormaterial oder die Verwendungvon PTC-Material.
    [0139] Die 4 bis 7 zeigenweitere Ausgestaltungsvarianten der integrierten Zündhilfein Kombination mit einer Funkenstrecke mit Folgestromlöschung nachdem Hartgasprinzip.
    [0140] Gemäß 4 wirddas spannungsschaltende Element 4 zum Schutz vor insbesonderethermischen und mechanischen Belastungen direkt in eine Ausnehmungder Hauptelektrode 1 integriert. Diese Ausnehmung kannz.B. in Form einer Bohrung in der Stromzuführung der Hauptelektrode ausgeführt sein. DieseBohrung kann ein Innengewinde aufweisen. Mit Eindrehen einer leitfähigen Schraubekann dann das im Hohlraum befindliche spannungsschaltende Element 4 sichermechanisch befestigt und kontaktiert werden.
    [0141] Obwohlzeichnerisch nicht dargestellt, besteht auch die Möglichkeit,eine separate Impedanz 3a in eine entsprechende Ausnehmungin der Hauptelektrode 1 aufzunehmen, so dass auch diesesElement besser vor statischen und dynamischen mechanischen Belastungenbei der Fertigung und währenddes Betriebs geschütztist.
    [0142] Essei noch darauf hingewiesen, dass eine Seite des spannungsschaltendenElements 4 gegenüberder Hauptelektrode 1 isoliert wird und ein isolierter leitfähiger Anschluss-bzw. eine solche Verbindung zur Zündhilfselektrode 3 besteht.
    [0143] Gemäß 5 wirddie Zündhilfselektrode 3 quasiauf gleicher Höhemit dem zum Lichtbogen-Brennraum reichenden Ende der Hauptelektrode 1 inden Lichtbogen-Brennraum eingebracht.
    [0144] Diesbewirkt nach der Zündungder Hauptfunkenstrecke sehr schnell das Verlöschen des Stromes im Zündkreis,da dieser praktisch nicht mehr einer Potenti aldifferenz ausgesetztwird. Die Zündhilfselektrode 3 wirdsomit vor einem direkten Lichtbogen-Fußabbrand geschützt.
    [0145] 6 zeigteine Darstellung, bei der die Zündhilfselektrode 3 seitlichversetzt vom Lichtbogen-Brennraum angeordnet ist, wodurch sich ebenfallseine besondere geschützteAusführungsform derElektrode 3 einstellt.
    [0146] Nachder Darstellung gemäß 7 besteht dieMöglichkeit,ein, auch ergänzendes,spannungsschaltendes Element 4 außerhalb der druckfesten Kapselung 5 derFunkenstrecke anzuordnen.
    [0147] Dieserlaubt es, die Ansprechspannung des Ableiters unabhängig vonder Funkenstrecke auch noch nach dem Einbau in die Anwendungsumgebungfrei zu wählenoder an das Anwendungsumfeld und die Einsatzbedingungen anzupassen.
    [0148] Grundsätzlich kanndie erläuterteund im Ausführungsbeispielbeschriebene Zündhilfeauch bei anderen Löschprinzipienbzw. Elektrodenanordungen angewendet werden. Bekannte Folgestrom-Löschverfahrenfür Niederspannungs-Ableiter neben denerläutertenVarianten ist z.B. die Nutzung von hörnerförmigen Elektroden zur Lichtbogenverlängerung,häufigin Kombination mit Löschblechanordnungen,bzw. auch die Erzeugung von hohen Drücken zur Erhöhung derLichtbogen-Feldstärke.Ebenso ist eine Reihenschaltung von mehreren Funkenstrecken zurVervielfachung der Elektroden-Fallspannung denkbar.
    [0149] DerEinsatz fürAnordnungen mit hörnerförmigen Elektrodenbedarf keiner näherenErläuterung, dasowohl eine prinzipielle Lösungentsprechend 1, aber auch Anordnungen miteinem durch elektrisch leitfähigeStoffe verlängertenElektrodenabstand, z.B. entsprechend 2, in einersymmetrischen oder auch unsymmetrischen Anordnung in bekannter Weisemit hörnerartigenFunkenstrecken versehen werden können.Die sich ausbildenden Folgestrom-Lichtbögen können bekanntermaßen nachder Verlängerungan den Hörnernden unterschiedlichsten Löschsystemenzugeführtwerden.
    [0150] DieRealisierung einer effektiven Folgestrombegrenzung ist jedoch auchdurch einen starken Druckaufbau im Inneren der Funkenstrecke möglich. Hiersei beispielsweise auf die DE196 04 947 C1 verwiesen. Dies wird zwar auch bei der Erzeugungvon Hartgas mit realisiert, kann jedoch auch als Einzelmaßnahme Anwendungfinden. Selbiges ist z.B. bei Funkenstrecken von Vorteil, bei denender Aufwand, der hinsichtlich der Strömung und der Kühlung desfrei werdenden Gases notwendig ist, begrenzt werden soll, bzw. auchbei Funkenstrecken, bei denen eine möglichst geringe Alterung vonInteresse ist.
    [0151] Anordnungenentsprechend der DE196 04 947 C1 sind grundsätzlich mit einer erfindungsgemäßen Zündhilferealisierbar. Hartgasabgebende Stoffe können teilweise bzw. vollständig durchelektrisch leitfähigeStoffe mit linearer, aber auch mit nichtlinearer Charakteristikersetzt werden. Dies könnenz.B. druckfeste leitfähigeKeramiken, Faserkeramiken bzw. Verbundmaterialien mit leitfähigen Bestandteilenoder aber auch z.B. Materialien mit Varistorkennlinie oder einerPTC-Kennlinie sein. Der Druckaufbau wird durch das begrenzte Innenvolumenz.B. in einem Zylinder realisiert. Bei einem partiellen Einsatz vonHartgas kann z.B. eine Sandwichlösungeingesetzt werden.
    [0152] Esist jedoch auch möglich,eine poröse Grundstruktur,z.B. aus leitfähigerKeramik mit gasabgebenden Stoffen, z.B. POM zu füllen.
    [0153] Ausführungsvariantenmit aktiver Triggerung zur Einbringung von Ladungsträgern ineine oder mehrere Teilfunkenstrecken für die Anwendung in Anlagender Niederspannung zeigen die 8 bis 10.
    [0154] Gemäß 8 istdie vorstehend erläuterte Zündhilfeauch bei einer Ausführungsformmit mehreren Teilfunkenstrecken einsetzbar und schränkt den Einsatzder allgemein bekannten Methoden zur Potentialsteuerung der Teilfunkenstreckennicht ein.
    [0155] Esist jedoch zu beachten, dass Ableiter mit einer Reihenschaltungaus Teilfunkenstrecken üblicherweiseauch extern angeschlossene Mittel zur Potentialsteuerung aufweisen.Dies könnenImpedanzen, Kapazitäten,lineare und nichtlineare Widerstände,deren Kombinationen bzw. auch zusätzliche externe Funkenstrecken,welche ebenfalls zur Potentialsteuerung eingesetzt werden, sein.
    [0156] Unabhängig, welcheArt von diskreten Elementen auch zur Potentialsteuerung eingesetztwird, stellen diese Elemente und deren Kontaktstellen zu den einzelnenTeilfunkenstrecken einen Risikofaktor dar, da infolge sehr hoherImpulssteilheiten oder auch einer schlechten bzw. gealterten Kontaktgabe eszu partiellen oder auch vollständigenAußenüberschlägen undsomit zur Zerstörungdes Ableiters kommen kann. Gilt es also einen Ableiter der genanntenArt sicher mit einer Zündhilfeund einem Ansprechwert < 1kV zu zünden,so muss nicht nur die eigentliche Zündhilfe, sondern auch die Potentialsteuerungsicherer als üblichausgeführtwerden.
    [0157] Dieskann gemäß Ausführungsbeispieldadurch realisiert werden, dass anstelle einer Potentialsteuerungmit externen und diskreten Elementen ohnehin notwendige Bauteileso modifiziert werden, dass eine hinreichende, interne Potentialsteuerung möglich ist.
    [0158] Hierfür werdeneinzelne Elektrode der Teilfunkenstrecken 20 durch Distanzhalter 21 getrennt. DasMaterial dieser Distanzhalter 21 kann bis auf die Streckeoder Strecken, welche mit einer Zündhilfe versehen ist, aus leitfähigem bzw.feldsteuerndem Material gefertigt werden.
    [0159] Alternativoder zusätzlichkann eine äußere Ummantelungder eigentlichen Funkenstrecken mit einem isolierten, einseitigangeschlossenen Schirm zur Potentialverzerrung 22 verbundenwerden.
    [0160] DieTeilfunkenstrecke mit der Zündhilfeaus den Teilen 3, 3a und 4 wird so gestaltet,dass sie trotz eventuell auftretender Verschmutzungen, insbesonderedurch den Abbrand der Zündelektrode,in der Lage ist, allein nach dem Ansprechen der Funkenstrecke dieBelastung durch die wiederkehrende Netzspannung zu beherrschen.
    [0161] Hierzuwird der Abstand der Elektroden 22 und 23 der über dieZündhilfetriggerbaren Teilfunkenstrecke gegenüber dem Abstand der anderen Teilfunken streckenerhöht.Zusätzlichkann zur besseren Beherrschung der wiederkehrenden Spannung für das Materialder Hauptelektroden der triggerbaren Teilfunkenstrecken ein Materialmit hoher Sofortverfestigung gewähltwerden. Das Material der übrigen Teilstreckenhingegen sollte übereinen geringen Abbrand und eine hohe Elektrodenfallspannung verfügen.
    [0162] DieDistanzhalter 21 könnenaus elektrisch leitfähigenPolymeren bzw. Keramiken bestehen. Deren Widerstandscharakteristikkann linear, aber auch nichtlinear sein.
    [0163] Beieiner potentialsteuernden Ausführung kanndas Material der Distanzhalter 21 neben bestimmten dielektrischenEigenschaften, wodurch eine kapazitätsbehaftete Steuerung möglich ist,zusätzlichauch mit Mikrovaristoren versehen sein, wodurch sich insbesonderebei hohen Steilheiten eine bessere potentialsteuernde Wirkung ergibt.Alternativ könnendie einzelnen elektrisch leitfähigenKontakthalter auch einseitig oder beidseitig mit einer dünnen Isolationsschichtbzw. einer definiert schlechten Kontaktgabe versehen oder ausgeführt sein.Dies bedingt zwar eine minimale Ansprechspannung von z.B. einigen10 V, fördertaber durch das raschere Austreten des Lichtbogens aus dem Materialund die Funkenbildung die Ionisation der Teilfunkenstrecke und somitdas Zündender gesamten Funkenstrecke.
    [0164] Selbstverständlich können diebeschriebenen Maßnahmenzur Potentialsteuerung auch zur Reduzierung der Ansprechspannungder Teilfunkenstrecken 20 durch aus dem Bereich der Gasentladungsableiterbekannte Maßnahmen,z.B. dem Einsatz spezieller Gase oder Aktivierungsmaßnahmen unterstützt werden.
    [0165] Gemäß 9 können dieeinzelnen Distanzhalter 21 der nicht triggerbaren Teilfunkenstrecken durcheinen gemeinsamen Distanzhalter ersetzt werden. Bei einer elektrischleitfähigenAusführungder Distanzhalter 21 ist darauf zu achten, dass das leitfähige Materialdurch den fließendenTeilstrom nicht überlastetwird. Dies kann zum einen durch die Materialauswahl und zum anderenaber auch durch die geometrische Gestaltung im Sinne der Dicke undder Kontaktflächebeeinflusst werden.
    [0166] 10 zeigteine Gestaltungsvariante, bei der gemeinsam oder auch alternativanwendbare Maßnahmeneingesetzt werden, um die Wahrscheinlichkeit eines unerwünschten äußeren Überschlags weiterzu verringern.
    [0167] Hierzuwerden im äußeren Bereichder Elektroden zusätzlicheIsolationsmaßnahmendurchgeführt.Die Elektroden der Teilfunkenstrecken können im äußeren Bereich mit Isolationsmaterial 25 versehensein. Der Innendurchmesser des isolierten Bereichs ist größer zu wählen, alsder Innendurchmesser der Distanzhalter 21. Die Distanzhalter 21 können desweiteren ebenfalls am äußeren Umfangmit einem Ring aus Isolationsmaterial 26 umgeben sein.
    [0168] Wirdmit einer Anordnung entsprechend der 8 bis 10 eineBegrenzung der Folgeströme aufWerte von wenigen hundert Ampere oder kleiner realisiert, ist anstelleder triggerbaren Teilfunkenstrecken auch der Einsatz eines leistungsfähigen Gasableitersmöglich,welcher dann die Ansprechspannung der Gesamtanordnung bestimmt.
    权利要求:
    Claims (43)
    [1] Überspannungsschutzeinrichtungauf Funkenstreckenbasis, insbesondere für Niederspannungs-Anwendungen,umfassend mindestens zwei in einem druckdichten Gehäuse befindlicheHauptelektroden sowie mindestens eine Zündhilfselektrode, wobei imGehäusevolumeneine Funktionsbaugruppe zum Reduzieren der Ansprechspannung derFunkenstrecke untergebracht ist, welche mit einer der Hauptelektrodenund der Zündhilfselektrodein Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsbaugruppezum Reduzieren der Ansprechspannung der Funkenstrecke aus einervollständigin das druckdichte Gehäuseintegrierten, außerhalbdes Lichtbogen-Brennraums befindlichen Reihenschaltung eines spannungsschaltendenElements (4), einer Impedanz (3a) und einer Trennstrecke(e2) besteht, wobei die Trennstrecke (e2) durch den Abstand der Zündhilfselektrode(3) zur nächstliegenden Hauptelektrode(2) gebildet ist, so dass beim Auftreten einer Überspannung,welche die Summe der Ansprechspannungen des Schaltelements (4)und der Trennstrecke (e2) übersteigt,ein Strom von der ersten der Hauptelektroden (1) zur zweitenHauptelektrode (2) fließt, mit der Folge, dass derdie Trennstrecke (e2) überbrückende Lichtbogen Ladungsträger zursofortigen Ionisation der Trennstrecken zwischen den Hauptelektroden(1, 2) bereitstellt, wodurch die Spannungsfestigkeitdieser Trennstrecke veringert ist und aufgrund des mit der Stromstärke steigenden Spannungsabfallsan der Impedanz (3a) ein Überschreiten der reduziertenSpannungsfestigkeit der Trennstrecke zwischen den Hauptelektrodeneintritt, wodurch das gewünschteZündender Funkenstrecke erfolgt.
    [2] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spannungsschaltendeElement ein Gasableiter ist.
    [3] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spannungsschaltendeElement eine Suppressordiode, ein Thyristor, ein Varistor und/odereine definiert abbrandfeste Luft- oder Gleitfunkenstrecke ist.
    [4] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der Ansprüche1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündhilfselektrode selbst impedanzbehaftet ausgeführt istund einen komplexen Widerstand aufweist.
    [5] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass sich die Zündhilfselektrodepartiell im Lichtbogen-Brennraum befindet oder in diesen hineinreicht.
    [6] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündhilfselektrodeaus einem leitfähigenKunststoff oder leitfähigerKeramik besteht.
    [7] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der Ansprüche1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz aus einem Materialmit nichtlinearem oder linearem Widerstandsverlauf besteht.
    [8] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz aus einemleitfähigenKunststoff oder einer leitfähigenKeramik besteht.
    [9] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz diskretals Widerstand, Varistor oder Kapazität ausgeführt ist.
    [10] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Zündhilfselektrodegegenüberden Hauptelektroden isoliert ist, wobei die Ansprechspannungen dersich zu den Hauptelektroden jeweils ergebenden Teilstrecken unterschiedlichgewähltsind.
    [11] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansprechspannungder ersten Hauptelektrode zur Zündhilfselektrodeviel größer alsdie Ansprechspannung der Trennstrecke (e2)ist.
    [12] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass zur Reduzierung der Ansprechspannung der Trennstrecke (e2) diese als dünne, abbrandfeste Isolierfolie,abbrandfeste Lackbeschichtung oder sonstige dünne Isolierschicht ausgebildet ist.
    [13] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass diese Mittel zum Beströmendes Lichtbogens mit Hartgas aufweist.
    [14] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen desHartgases ein hartgasabgebendes Material mindestens Abschnitte desLichtbogen-Brennraums umgibt, wobei das hartgasabgebende Material zusätzlich leitfähige Eigenschaftenaufweist, um das Potential einer der Hauptelektroden bis an dieTrennstrecke der Zündhilfselektrodeheranzuführen.
    [15] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestenseine Druckausgleichsöffnungzur Verhinderung eines sich überdie Zeit akkumulierenden Druckanstiegs vorgesehen ist.
    [16] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnung durchGehäuse-oder Elektrodenmaterialien gebildet ist, welche gasdurchlässig sind.
    [17] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens Abschnittedes Gehäusesaus porösemPolymermaterial, Keramik und/oder Metall bestehen.
    [18] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass diese Mittel zur Restspannungsbegrenzung aufweist.
    [19] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 18 und Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dasleitfähige,hartgasabgebende Material, welches elektrisch mit einer der Hauptelektrodenin Verbindung steht, eine definierte Geometrie sowie definierteelektrische Eigenschaften zum Zweck der Beeinflussung des Verlaufsund der Höheder Restspannung besitzt.
    [20] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand deshartgasabgebenden Materials gegenüber der Impedanz der Reihenschaltungniedrig ist.
    [21] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der Ansprüche15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige, hartgasabgebendeMaterial währendder Belastung mit Stoß-als auch mit Folgeströmeneinen Teil des jeweils fließendenGesamtstroms trägt.
    [22] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromanteil,welcher vom leitfähigen,hartgasabgebenden Material geführtwird, überdas Verhältnisdes Widerstands dieses Materials zum Widerstandswert des Lichtbogenseinstellbar ist.
    [23] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Wertdes Widerstands des leitfähigen,hartgasabgebenden Materials größer alsder durchschnittliche, mittlere Widerstandswert des Lichtbogensist.
    [24] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass das spannungsschaltende Element und/oder die Impedanz zum Schutzvor thermischen oder mechanischen Belastungen in eine der Hauptelektrodenintegriert ist.
    [25] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Hauptelektrodeneinen Hohlraum aufweist.
    [26] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das spannungsschaltendeElement in den Hohlraum, insbesondere einpolig isoliert, eingesetztist.
    [27] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum einInnengewinde zur Aufnahme einer, das eingesetzte spannungsschaltendeElement kontaktierenden Schraube aufweist.
    [28] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass das zum Lichtbogen-Brennraum reichende Ende der Zündhilfselektrodeim wesentlichen auf gleicher Höhedes in den Brennraum hineinreichenden Endes derjenigen Hauptelektrodeliegt, welche der ersten Trennstrecke (e1)zugehörigist.
    [29] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Zündhilfselektrodeseitlich versetzt und/oder bezogen auf den Lichtbogen-Hauptbrennraum zurückgesetztangeordnet ist.
    [30] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass ein ergänzendesspannungsschaltendes Element zur nachträglichen Einstellung und/oderAnpassung der Ansprechspannung außerhalb der druckdichten Kapselungbefindlich ist.
    [31] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eineKombination aus einer triggerbaren Teilfunkenstrecke hoher Ansprechspannungund mindestens einer, nachgeordneten Teilfunkenstrecke niedrigerAnsprechspannung.
    [32] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, nicht triggerbareTeilfunkenstrecken Mittel zur internen Potentialsteuerung aufweisen.
    [33] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilfunkenstrecken über Distanzhaltermechanisch fixiert sind.
    [34] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzhalteraus einem leitfähigen,feldsteuernden Material bestehen.
    [35] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzhalterund die Elektroden der Teilfunkenstrecken eine Ummantelung aufweisen.
    [36] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung eineeinseitig elektrisch angeschlossene Schirmung zur gezielten Potentialverzerrungumfasst oder als solche ausgebildet ist.
    [37] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der Ansprüche31 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Elektroden,welche die Teilfunkenstrecke mit Zündhilfselektrode bilden, größer alsder Abstand der Elektroden der jeweils folgenden Teilfunkenstreckengewähltist.
    [38] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der Ansprüche31 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzhalter für nichtdurch die Zündhilfselektrodetriggerbare Teilfunkenstrecken als integrales Bauelement ausgeführt ist.
    [39] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der Ansprüche31 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung eines elektrischen Überschlagsaußerhalbdes Lichtbogen-BrennraumszusätzlicheIsolationsabschnitte oder Isoliermaterialien, bevorzugt im äußeren Bereichder Elektroden der Teilfunkenstrecken vorgesehen oder angeordnet sind.
    [40] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der Ansprüche31 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzhalter auf ihrervom Lichtbogen-Brennraum entfernten Seite eine Isolationsbeschichtungoder -umhüllungaufweisen.
    [41] Überspannungsschutzeinrichtungnach einem der Ansprüche31 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, triggerbare Teilfunkenstrecke durcheinen Gasableiter ersetzt ist, welcher die Ansprechspannung derGesamtanordnung bestimmt.
    [42] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hörnerfunkenstrecke.
    [43] Überspannungsschutzeinrichtungnach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Stapelfunkenstrecke.
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    2018-03-13| R037| Decision of examining division or of federal patent court revoking patent now final|
    优先权:
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    EP18150578.5A| EP3331111B1|2003-11-28|2004-09-15|Überspannungsschutzeinrichtung auf funkenstreckenbasis, umfassend mindestens zwei in einem druckdichten gehäuse befindliche hauptelektroden|
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