DE102006020129A1

DE102006020129A1 - Gakapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke

Info

Publication number: DE102006020129A1
Application number: DE102006020129A
Authority: DE
Inventors: Arnd Dr.-Ing. Ehrhardt; Stephan Hierl
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-05-02
Publication date: 2007-09-13
Also published as: EP1992051A1; JP2009529759A; RU2008139455A; EP1992051B1; ATE527730T1; WO2007101837A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse mit stirnseitiger Bördelung, mindestens einer Triggerelektrode, einem Entladungsraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden und Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpern zum Fixieren der Hauptelektroden zueinander und bezogen auf das Außengehäuse. Erfindungsgemäß ist bei einer ersten Ausführungsform zur Kontaktierung der Triggerelektrode ein isolierter Draht oder bevorzugt bandförmiger Leiter in einem spaltförmigen Raum zwischen einer Außenseite einer der Hauptelektroden und der zugehörigen Seite des Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpers eingelegt, wobei das äußere Anschlussende des Leiters im Bereich des stirnseitigen Anschlusskontakts der betreffenden Hauptelektrode zugänglich ist und das innere, abisolierte Ende des Leiters in elektrischer Verbindung mit der Triggerelektrode steht. Bei einer zweiten Ausführungsform ist zur Kontaktierung der Triggerelektrode einer der Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper isoliert ausgeführt und weist eine in Axiallängsrichtung verlaufende Bohrung auf, wobei in dieser Bohrung ein Federkontaktteil befindlich ist, dessen inneres Ende die Triggerelektrode kontaktiert und dessen äußeres Ende im Bereich des ...

Description

Die Erfindung betrifft eine gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse mit stirnseitiger Bördelung, mindestens einer Triggerelektrode, einem Entladungsraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Überspannungsableitern auf der Basis von Funkenstrecken gemäß dem Stand der Technik werden diese bei Anwendungen im Niederspannungsbereich gekapselt ausgeführt, um das die Umgebung gefährdende Ausblasen von heißen oder noch ionisierten Gasen zu vermeiden.
Bei zum älteren Stand der Technik gehörenden ausblasenden Ableitern wird der größte Teil des Energieumsatzes bis ca. 90% in Form von heißem Gas an die Umgebung abgegeben. Es ist offensichtlich, dass durch das Vermeiden des Ausblasens bei modernen Funkenstrecken sowohl die thermische als auch die dynamische Belastung ansteigt. Diese steigenden Belastungen erschweren bei gekapselten Ableitern die notwendige Beherrschung hoher Impuls- und Folgeströme bei möglichst geringer Baugröße.
Zur Realisierung niedriger Schutzpegel im Bereich weniger kV werden die Ableiter mit zusätzlichen Triggereinrichtungen versehen. Eine solche Triggereinrichtung erfordert eine Isolation der zusätzlichen, im allgemeinen mit Hochspannung belasteten weiteren Elektrode. Der Mehraufwand an Bauraum und die zusätzlichen Isolationsmaterialien führen ebenfalls zu einer weiteren Einschränkung der Leistungsfähigkeit derartig realisierter Ableiter.

Gemäß der DE 100 08 764 A1 und der dort gezeigten gekapselten Funkenstrecke ist es bekannt, das Triggerpotential über die metallische Gehäuseummantelung der Funkenstrecke zuzuführen. Die dort vorgesehenen Hauptelektroden werden isoliert gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse in die Funkenstrecke eingebracht. Aufgrund der geringen Lichtbogenlänge und der nur einfachen Aufteilung des Lichtbogens kann mit dieser Lösung des Standes der Technik jedoch nur eine geringe Folgestrombegrenzung erreicht werden.

Bei dem gekapselten Ableiter nach DE 100 18 012 A1 wird das Potential der Zündelektrode ebenfalls über den druckfesten metallischen Mantel der Funkenstrecke zugeführt. Der dortige druckfeste Mantel ist aus einem Stück gefertigt und es wird zur Herstellung auf ein einfaches Umformverfahren zurückgegriffen. Der Verzicht auf eine isolierte Durchführung des Zündpotentials führt bei dieser Variante jedoch zu einem Mehraufwand an Isolation im Inneren der Funkenstrecke, da beide Elektroden nicht nur gegeneinander, sondern auch gegenüber dem gesamten Gehäuse isoliert sein müssen. Neben dem höheren Platzbedarf wird durch die aufwendige und spannungsfeste Isolation insbesondere auch die Wärmeabgabe aus der Funkenstrecke behindert. Dies führt zu einer erhöhten thermischen Belastung der Isolationsteile, zu langen Abkühlzeiten und zu einer enormen Einschränkung des für die Funkenstrecke zur Verfügung stehenden Raums. Alle diese Nachteile begrenzen letztendlich die Leistungsfähigkeit der Funkenstrecke.

Dann, wenn zur Verbesserung bestimmter Parameter einer Funkenstrecke eine zusätzliche Abgabe von Hartgas erfolgt, entsteht ein hoher Energieumsatz, der neben der thermischen Belastung zu einer weiteren Erhöhung bzw. einer dynamischen Druckbelastung sowohl bei Impuls- als auch bei Folgeströmen führt.

In der DE 101 64 025 A1 ist eine gekapselte triggerbare Funkenstrecke gezeigt, welche nach dem Radax-Flow-Prinzip arbeitet. Bei dieser Lösung des Standes der Technik wird das vorhandene quaderförmige Gehäuse der Funkenstrecke zur Kühlung der heißen Gase verwendet. Die Zuführung zur Triggerelektrode erfolgt durch die Isolationsteile der zweiten, gegenüber dem Gehäuse isolierten Hauptelektrode. Eine derartige Variante ist aufgrund der geometrischen Ausführungsform des Gehäuses sehr aufwendig und schränkt den Platz des aktiven Lichtbogenbereichs gegenüber dem Bereich zur Abkühlung der Gase erheblich ein.

Die vorstehend kurz gewürdigten Lösungen des Standes der Technik umfassen blitzstromtragfähige Niederspannungs-Luftfunkenstrecken, welche aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus eine an sich hohe Druckfestigkeit besitzen.

In der EP 0 305 077 A1 wird eine Funkenstrecke geringerer Leistungsfähigkeit vorgestellt, bei welcher eine Triggerelektrode durch den aus Isolationsmaterial bestehenden Außenmantel einer Funkenstrecke hindurchgeführt wird. Diese, nicht blitzstromtragfähige Funkenstrecke besitzt geringe Hauptelektrodenabstände und keine Mittel zur Erhöhung der Lichtbogenspannung. Der Leistungsumsatz und damit die einhergehende thermische und dynamische Belastung dieser Funkenstrecke des Standes der Technik ist unzureichend. Für den Einsatz in Niederspannungsnetzen ist eine derartige Funkenstrecke ungeeignet. Die dynamische Belastbarkeit des dortigen Gehäuses und der Durchführung der Triggerelektrode ist ebenfalls gering.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte, gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen gebördelten Außengehäuse, mindestens einer Triggerelektrode, einem Entladungsraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden anzugeben, wobei die Funkenstrecke eine hohe Stoßstromtragfähigkeit bei einer dennoch einfachen, technologisch beherrschbaren Konstruktion mit einfacher Triggerelektrodenkontaktierung gewährleisten soll.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Funkenstrecke gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

Erfindungsgemäß erfolgt bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung die Kontaktierung der Triggerelektrode mit Hilfe isolierten Drahtes oder bevorzugt eines bandförmigen Leiters, der in einem spaltförmigen Raum zwischen einer Außenseite einer der Hauptelektroden und der zugehörigen Seite des Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpers eingelegt ist.

Das äußere Anschlussende des Leiters ist im Bereich des stirnseitigen Anschlusskontakts der betreffenden Hauptelektrode zugänglich und das Innere, abisolierte Ende des Leiters steht in elektrischer Verbindung mit der Triggerelektrode.

Aufgrund der Tatsache, dass der bevorzugt eingesetzte bandförmige Leiter sich in dem spaltförmigen Raum befindet und sich unter Umformung an die Außenkontur der Hauptelektrode anschmiegt, sind keine zusätzlichen Nuten oder dergleichen im Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper notwendig. Insbesondere dann, wenn der Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper bezogen auf das Material des bandförmigen Leiters bzw. der jeweiligen Hauptelektrode eine geringere Härte und eine gewisse Elastizität aufweist, ist für eine ausreichende mechanische Stabilität und Dichtigkeit auch im Bereich des verlegten bandförmigen Leiters Sorge getragen.

Bei der Ausführungsform mit bandförmigem Leiter ist eine nahezu beliebige Führung des Bandes zwischen den Einzelteilen der Funkenstrecke möglich, und zwar unabhängig vom Potential der entsprechenden benachbarten Teile. Auf jeden Fall ist dafür Sorge getragen, dass die Impulsfestigkeit der Isolation des Bandes höher als die Impulsspannung des Triggerimpulses liegt.

Die Verbindung zwischen der Triggerelektrode und dem abisolierten Ende des Bandes kann durch Klemmen, Löten, Schweißen, aber auch durch eine Klebung realisiert werden.

Die so bereits kontaktierte Triggerelektrode wird dann bei der Montage mit dem vorhandenen Anschluss weiter verarbeitet, d.h. es wird die Stapelanordnung aus erstem Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper mit dort befindlicher erster Hauptelektrode, dem Körper mit der Triggerelektrode und dann der gegenüberliegenden, zweiten Hauptelektrode gebildet. Der die zweite Hauptelektrode umgebende Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper nimmt den bandförmigen Leiter auf. Im Anschluss erfolgt das Umbördeln des metallischen Außengehäuses jeweils im stirnseitigen Bereich der Gesamtanordnung, so dass sich eine äußerst druckstabile und feste Funkenstrecke ergibt.

Bei der zweiten Ausführungsform der Funkenstrecke ist zur Kontaktierung der Triggerelektrode einer der Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper isoliert ausgeführt und weist eine in Axiallängsrichtung verlaufende Bohrung auf.

In dieser Bohrung ist ein Federkontaktteil, z.B. in Form einer Schraubenfeder befindlich, dessen inneres Ende die Triggerelektrode kontaktiert und dessen äußeres Ende im Bereich des zugehörigen stirnseitigen Außenkontakts zugänglich ist.

Die in Axiallängsrichtung verlaufende Bohrung ist im Bereich des stirnseitigen Außenkontakts geschlossen derart, dass nach Montage der Anordnung das Federkontaktteil unter Vorspannung mit der Triggerelektrode steht bzw. auf dieser Elektrode aufliegt.

Ausgestaltend kann im Bereich des äußeren Endes des Federkontaktteils eine weitere, jedoch radiale, die erste in Axiallängsrichtung verlaufende, diese schneidende Bohrung ausgebildet sein. Über diese weitere, radiale Bohrung kann dann das Federkontaktteil elektrisch angeschlossen werden.

Hier wiederum bevorzugt besteht die Möglichkeit, in der radialen, weiteren Bohrung ein zweites Federkontaktteil einzusetzen, welches mit einem Ende im Schnittpunkt der Bohrungen das erste Federkontaktteil zur Herstellung einer elektrischen Verbindung berührt.

Das zweite Federkontaktteil kann mit einem Außenanschluss in Verbindung stehen, aber auch mit dem metallischen Außengehäuse kontaktiert werden, um über dieses Außengehäuse eine Triggerspannung der Triggerelektrode zuzuführen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 eine Schnittdarstellung einer gekapselten, druckfest ausgeführten, grundkonstruktiv rotationssymmetrischen Hochleistungsfunkenstrecke mit bandförmigem Leiter zur Kontaktierung der Triggerelektrode und
2 eine Schnittdarstellung einer grundkonstruktiv rotationssymmetrisch ausgeführten Hochleistungsfunkenstrecke mit elektrischem Anschluss der Triggerelektrode über ein Federkontaktteil.
Die im wesentlichen rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke nach den Figuren weist zwei gegenüberliegende Hauptelektroden 2 und 3 auf.
Diese Hauptelektroden 2, 3 weisen im Querschnitt eine T-Form auf, wobei der in Axiallängsrichtung verlaufende Schenkel des T einen elektrischen Außenanschluss, z.B. in Form einer Gewindebohrung besitzt.
Über Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper 4 und 5 werden die Hauptelektroden 2 und 3 gegenüber dem Außengehäuse 1, welches bevorzugt aus Metall besteht, gehalten.
Eine Triggerelektrode 6, die beispielsweise scheibenförmig mit Durchgangsbohrung ausgeführt sein kann, reicht mit ihren Innenseiten bis zum Entladungsraum 7 heran oder in diesen hinein.
Die Triggerelektrode 6 ist über einen Isolierkörper 6a gegenüber dem Außengehäuse 1 und den beiden Hauptelektroden 2 und 3 in ihrer Position festgelegt.
Stirnumfangsseitig weist das Außengehäuse 1 eine Bördelung auf, um der Gesamtanordnung die notwendige Druckfestigkeit zu geben.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper 5 isoliert ausgeführt. Ein impulsspannungsfestes dünnes Band 8 wird zwischen den ohnehin für die Funkenstrecke notwendigen Teilen bis zur Triggerelektrode 6 geführt und kontaktiert dieses.
Die notwendige Verbindung zwischen der Triggerelektrode 6 und dem abisolierten Ende des Bandes 8 kann durch Klemmen, Löten, Schweißen, aber auch durch eine Klebeverbindung erfolgen.
Das bevorzugt eingesetzte Band 8 besitzt gegenüber einem Draht den Vorteil, dass aufgrund der geringen Dicke des Bandes 8 von einem bis zu wenigen zehntel Millimetern keine besondere Bearbeitung oder Nuten in den relevanten Teilen der Funkenstrecke, insbesondere dem Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper 5 eingebracht werden muss, wodurch keine zusätzlichen Anforderungen unter technologischem Aspekt entstehen.
Auch für eine Montage der Elemente der Funkenstrecke, die sich als Stapelanordnung darstellt, bereitet das eingelegte Band vor dem Aufstecken des Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpers 5 bezüglich der zugehörigen Hauptelektrode 3 keinerlei Schwierigkeiten.
Die gekapselte, im wesentlichen rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 weist von den grundsätzlichen konstruktiven Gegebenheiten einen ähnlichen Aufbau wie die Funkenstrecke erläutert anhand der 1 auf.
Im Unterschied zu dieser Ausführungsform nach 1 ist nunmehr im Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper 5 eine in Axiallängsrichtung verlaufende Bohrung eingebracht, die ein erstes Federkontaktteil 9 aufnimmt.
Aufgrund der Tatsache, dass die vorerwähnte Bohrung nach oben, d.h. zur Stirnseite der Gesamtanordnung verschlossen ist, kann das Federkontaktteil im montierten Zustand unter Federvorspannung stehen, so dass eine sichere Kontaktierung der Triggerelektrode 6 über das freie Ende des Federkontaktteils 9 möglich ist.
Beim gezeigten Beispiel nach 2 ist auch in der Hauptelektrode 3 eine Durchgangsbohrung 12 ausgebildet, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Federkontaktteils 9 ist, um Kurzschlüsse zu vermeiden, wenn nicht in die dortige Bohrung 12 noch ein zusätzliches hohlzylindrisches Isolierteil eingesetzt wird oder die Feder eine isolierende Beschichtung aufweist.
Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, anstelle einer Bohrung 12 eine schlitzförmige Nut in den querliegenden Schenkel der T-förmigen Hauptelektrode 3 einzubringen, so dass das Federkontaktteil 9 nur in Kontakt mit der Triggerelektrode 6 gelangt.
Für den Fall, dass das Isolierteil 6a zum Fixieren der Triggerelektrode 6 nicht ohnehin einen Hohlzylinder darstellt, weist auch dieses Teil eine entsprechende Durchgangsbohrung auf, so dass das Federkontaktteil 9 mit der Oberfläche der Triggerelektrode 6 in elektrische Verbindung gelangt.
Gemäß der Darstellung nach 2 ist eine weitere, radiale Bohrung im Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper 5 ausgebildet, welche die in Axiallängsrichtung verlaufende Bohrung schneidet.
Diese weitere, radiale Bohrung nimmt ein Kontaktteil, insbesondere ein zweites Federkontaktteil 10 auf, welches mit Hilfe einer Öffnung 11 im Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper 5 durch Verklemmen fixierbar ist.
Durch die notwendige in Axiallängsrichtung verlaufende Bohrung und das Einsetzen des Federkontaktteils 9 ist zwar eine gewisse Unsymmetrie der Gesamtanordnung gegeben, jedoch erhöht sich der Montageaufwand im Vergleich zur Ausführungsform nach 1 nur minimal. Auch wird kein zusätzlicher Raum zur Kontaktierung der Triggerelektrode 6 benötigt.
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung nach 2 besteht die Möglichkeit, das zweite Federkontaktteil 10 mit dem metallischen Außengehäuse 1 in Verbindung zu bringen, um über dieses Außengehäuse eine Triggerspannung der Triggerelektrode 6 zuzuführen.
Alles in allem gelingt es mit der vorgestellten Erfindung, in einfacher, den Montageprozess nicht behindernder Weise, eine isolierte Einführung eines
Triggerpotentials für gekapselte, druckfeste, nicht hermetisch dichte Funkenstrecken zu bewirken. Ein weiter Vorteil der Erfindung besteht darin, dass nahezu alle Bauteile oder Baugruppen sowohl für eine Ausführung einer Funkenstrecke ohne als auch mit Triggerung Verwendung finden können, so dass sich die Aufwendungen bezüglich der Herstellung von Einzelteilen und zur Lagerhaltung reduzieren.

1: metallisches Außengehäuse
2; 3: Hauptelektroden
4; 5: Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper
6: Triggerelektrode
6a: Isolierkörper für Triggerelektrode
7: Entladungsraum
8: bandförmiger Leiter
9: erstes Federkontaktteil
10: zweites Federkontaktteil
11: Öffnung
12: Bohrung in Hauptelektrode 3

Claims

Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse mit stirnseitiger Bördelung, mindestens einer Triggerelektrode, einem Entladungsraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden und Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpern zum Fixieren der Hauptelektroden zueinander und bezogen auf das Außengehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontaktierung der Triggerelektrode ein isolierter Draht oder bevorzugt bandförmiger Leiter in einem spaltförmigen Raum zwischen einer Außenseite einer der Hauptelektroden und der zugehörigen Seite des Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpers eingelegt ist, wobei das äußere Anschlussende des Leiters im Bereich des stirnseitigen Anschlusskontakts der betreffenden Hauptelektrode zugänglich ist und das innere, abisolierte Ende des Leiters in elektrischer Verbindung mit der Triggerelektrode steht.
Gekapselte, druckfest ausgeführte, nicht hermetisch dichte, grundkonstruktiv rotationssymmetrische Hochleistungsfunkenstrecke mit zwei beabstandet gegenüberliegenden Hauptelektroden, einem metallischen Außengehäuse mit stirnseitiger Bördelung, mindestens einer Triggerelektrode, einem Entladungsraum sowie bevorzugt stirnseitig angeordneten elektrischen Anschlusskontakten für die Hauptelektroden und Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörpern zum Fixieren der Hauptelektroden zueinander und bezogen auf das Außengehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kontaktierung der Triggerelektrode einer der Hauptelektroden-Einbettungs- und Zentrierkörper isoliert ausgeführt ist und eine in Axiallängsrichtung verlaufende Bohrung aufweist, wobei in dieser Bohrung ein Federkontaktteil befindlich ist, dessen inneres Ende die Triggerelektrode kontaktiert und dessen äußeres Ende im Bereich des zugehörigen stirnseitigen Außenkontakts zugänglich ist.
Funkenstrecke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Axiallängsrichtung verlaufende Bohrung im Bereich des stirnseitigen Außenkontakts geschlossen ist, so dass nach Montage der Anordnung das Federkontaktteil unter Vorspannung mit der Oberfläche der Triggerelektrode steht.
Funkenstrecke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des äußeren Endes des Federkontaktteils eine weitere, radiale, die erste in Axiallängsrichtung verlaufende, diese schneidende Bohrung ausgebildet ist.
Funkenstrecke nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der radialen Bohrung ein zweites Federkontaktteil eingesetzt ist, welches mit einem Ende im Schnittpunkt der Bohrungen das erste Federkontaktteil zur Herstellung einer elektrischen Verbindung berührt.
Funkenstrecke nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Federkontaktteil mit dem metallischen Außengehäuse in Verbindung steht, um über dieses eine Triggerspannung der Triggerelektrode zuzuführen.