DE10114592A1

DE10114592A1 - Blitzstromtragfähige Funkenstrecke

Info

Publication number: DE10114592A1
Application number: DE10114592A
Authority: DE
Inventors: Jan Meppelink
Original assignee: Obo Bettermann GmbH and Co KG
Current assignee: Obo Bettermann GmbH and Co KG
Priority date: 2001-03-24
Filing date: 2001-03-24
Publication date: 2002-09-26
Also published as: CN1377108A; HK1049743A1; NL1019801C2; NL1019801A1; GB2376139B; FR2822600A1; ES2192149A1; HK1049743B; GB2376139A; GB0204105D0; ES2192149B1; CN1286232C; FR2822600B1

Abstract

Um eine blitzstromtragfähige Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteten Funkenstrecken, wobei die Funkenstrecke aus n-Teilfunkenstrecken (FS) besteht, deren Lichtbogenbrennspannung durch Reihenschaltung der Teilfunkenstrecken (FS) auf den n-fachen Wert der Lichtbogenbrennspannung einer Teilfunkenstrecke gebracht ist, und die Teilfunkenstrecken (FS) mit Ausnahme der im Blitzstromereignisfall ersten ansprechenden Funkenstrecke (FS1) durch Kapazitäten beschaltet sind, so dass die Teilfunkenstrecken (FS) sukzessive durchschalten, wobei die zweite und jede weitere Funkenstrecke (FS2-FSN) über die Kapazitäten direkt an ein gemeinsames Bezugspotential gelegt sind, so zu konstruieren, dass sie nur bei Blitzüberspannung zündet, wird vorgeschlagen, dass die Dimensionierung der Steuerkondensatoren nach folgender Formel erfolgt: (n - 1) x CE = k x CL x DOLLAR F1 wobei n die Anzahl der Kondensatoren, CE jeder Steuerkondensator, k ein Sicherheitsfaktor >= 1, CL die Leitungskapazität der Leitung von der Funkenstrecke zur Quelle der Überspannung, DOLLAR I2 der Scheitelwert der Überspannung und U¶s¶ der Schutzpegel der Funkenstrecke ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine blitzstromtragfähige Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteter Funkenstrecken, wobei die Funkenstrecke aus n- Teilfunkenstrecken besteht, deren Lichtbogenbrennspannung durch Reihenschaltung der Teilfunkenstrecken auf den n-fachen Wert der Lichtbogenbrennspannung einer Teilfunkenstrecke gebracht ist, und die Teilfunkenstrecken mit Ausnahme der im Blitzstromereignisfall ersten ansprechenden Funkenstrecke durch Impedanzen, insbesondere Kapazitäten beschaltet sind, so dass die Teilfunkenstrecken sukzessive durchschalten, wobei die zweite und jede weitere Funkenstrecke über die Impedanzen direkt an ein gemeinsames Bezugspotential, insbesondere Erdpotential, gelegt sind und jeweils Impedanzen gleicher Dimension eingesetzt sind.

Solche Funkenstrecken sind beispielsweise durch die DE 197 42 302 A1 und die DE 197 55 082 A1 bekannt.

Es ist bekannt, dass eine Funkenstrecke beziehungsweise eine Mehrfachfunkenstrecke zum transienten Potentialausgleich eingesetzt werden kann, wobei auch der nachfolgende Netzfolgestrom gelöscht wird. Die Funktion einer solcher Funkenstrecke läßt sich in vier Grundfunktionen einteilen:

1. Zünden der Funkenstrecke bei einer Blitzüberspannung.
2. Ableiten beziehungsweise Führen des Blitzstromes zwischen Erde und Leiter und Sicherstellen eines geringen Spannungsabfalls entlang des Lichtbogens.
3. Führen und Löschen des Netzfolgestromes.
4. Wiederverfestigung der Funkenstrecke und Standhalten gegenüber der wiederkehrenden Spannung an dem Ort der Funkenstrecke.

Die im folgende beschriebene Verbesserung bezieht sich ausschließlich auf das Zünden der Funkenstrecke bei transienten Überspannungen und bei Blitzüberspannung von Hauptblitzen sowie auf das Zünden der Funkenstrecke, insbesondere bei solchen Blitzüberspannungen, die bei Folgeblitzen auftreten und eine erhöhte Steilheit gegenüber solchen Hauptblitzen aufweisen.

Zu dem ersten Teilproblem ist anzumerken, dass bei allen bisherigen technischen Lösungen die Zündung der Funkenstrecke des Blitzstromableiters durch jede transiente Überspannung erfolgt, wie zum Beispiel durch Burstimpulse beim Abschalten von induktiven Lasten, durch Abtrennen von Sicherungen und durch Schaltüberspannungen im weitesten Sinne, wenn die Höhe der Überspannung die Zündspannung der Funkenstrecke des Ableiters überschreitet. Dies bedeutet, dass ein Blitzstromableiter jedes Mal bei einer solchen Überspannung anspricht. Dabei kann es je nach Zündzeitpunkt zu einem Netzfolgestrom kommen, der je nach Ausführung des Blitzstromableiters von diesem oder von einer vorgeschalteten Sicherung unterbrochen wird. Der Blitzstromableiter soll aber gemäß seiner Aufgabestellung eigentlich nur bei einer Blitzüberspannung zünden. Es wäre vorteilhaft, wenn ein Zünden durch andere Überspannungen vermieden werden könnte, dadurch würde der Blitzstromableiter geschont und das Netz würde von unnötigen Spannungseinbrüchen befreit beziehungsweise das Auslösen von Schmelzsicherungen würde vermieden.

Eine Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Funkenstrecke so zu konstruieren, dass sie nur bei Blitzüberspannung zündet.

Zu dem zweiten Teilproblem ist anzumerken, dass es bekannt ist, dass die negative Wolke-Erde-Blitzent ladung mit 90% den größten Teil aller Blitze darstellt. Bei der negativen Wolke-Erde-Blitzent ladung treten wiederum zu einem Anteil von rund 50% negative Folgeblitze auf, deren Steilheit wesentlich größer als die des ersten Hauptblitzes ist. Die Funkenstrecken werden hinsichtlich ihres Ansprechens jedoch mit der Blitzüberspannung des ersten Hauptblitzes geprüft. Das Ansprechverhalten bei negativen Folgeblitzen wird nach den derzeitigen Normen nicht abgeprüft. Da die Funkenstrecken dieser Belastung trotzdem ausgesetzt sind, muss das Ansprechverhalten der Funkenstrecke auf diese Belastung hin optimiert werden.

Das Ziel ist daher, den Schutzpegel der Funkenstrecke, der bisher nur für die Blitzstoßspannnung 1,2/50 µs angegeben wird, auf die Beanspruchung durch negative Folgeblitze zu erweitern und auch dabei den gleichen Schutzpegel zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass die Dimensionierung der Steuerkondensatoren nach folgender Formel erfolgt:
(n-1) × CE = k × CL × û/u_s, wobei n die Anzahl der Kondensatoren, CE jeder Steuerkondensator, k ein Sicherheitsfaktor ≧ 1, CL die Leitungskapazität der Leitung von der Funkenstrecke zur Quelle der Überspannung, û der Scheitelwert der Überspannung und U_s der Schutzpegel der Funkenstrecke ist.

Hierdurch ist das Ansprechverhalten der Mehrfach funkenstrecke so eingestellt, dass transiente Über spannungen durch Schalthandlungen die Mehrfachfunken strecke nicht auslösen, Blitzüberspannungen aber jeweils die Mehrfachfunkenstrecke auslösen, wenn die Signalenergie der Überspannung groß genug ist, um alle Teilfunkenstrecken durchzuzünden. Reicht die Signalenergie einer Blitzüberspannung, zum Beispiel hervorgerufen durch einen weit entfernten Blitzeinschlag, nicht zum Zünden der gesamten Mehr fachfunkenstrecke aus, so bleibt die Spannung dennoch auf einen Wert unterhalb des Schutzpegels begrenzt.

Das Rückzünden des Blitzstromableiters nach dem Löschen des Netzfolgestromes wird erschwert, weil die transiente wiederkehrende Spannung von den Steuerkondensatoren aufgezehrt wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, den Schutzpegel der Funkenstrecke, der bisher nur für die Blitzstoßspannung 1,2/50 µs angegeben wird, auf die Beanspruchung durch negative Folgeblitze zu erweitern und dabei den gleichen Schutzpegel zu erreichen.

Alle Funkenstrecken zeigen aufgrund der Gasentladungsvorgänge ein mehr oder weniger ausge prägtes Trägheitsverhalten, dass durch den Entladeverzug aufgrund der Statistik der Anfangselektronen im Gas begründet ist. Der Entladeverzug ist daher für alle Blitzstromableiter mit nur einer Funkenstrecke von Nachteil. Auch bei einer Mehrfachfunkenstrecke tritt dieser Effekt auf. Die letzte zündende Teilfunkenstrecke einer Mehrfachfunkenstrecke bestimmt daher die Ansprechspannung. Jede Funkenstrecke zeigt dieses Verhalten in der Stoßkennlinie, die den Zusammenhang zwischen Durchschlagsspannung und Durchschlagzeit angibt. Mit zunehmender Steilheit der Stoßspannung nimmt daher die Ansprechspannung der Funkenstrecke zu. Dies kann bei extrem steilen Überspannungen dazu führen, dass der Schutzpegel, der sich aus dem Ansprechverhalten bei Blitzstoßspannung 1,2/50 µs ergibt, überschritten wird. Eine solche Überschreitung ist bei solchen Überspannungen, die aus negativen Folgeblitzen entstehen, möglich.

Um die Funkenstrecke für solche Bedingungen zu modifizieren, wird vorgeschlagen, dass die Teilfunkenstrecken mit Ausnahme der ersten Teilfunkenstrecke mit Varistoren beschaltet sind, die jeweils parallel zu den Teilfunkenstrecken liegen, wobei die Dimensionierung der Varistoren nach folgender Beziehung erfolgt:
(n-1) U_r + U_AK < U_s, wobei n die Anzahl der Funkenstrecken, U_r die Restspannung des Varistors, U_AK die Spannung an der ersten Funkenstrecke FS1, gegeben durch Anoden- und Kathodenfall, und U_s der Schutzpegel der Mehrfachfunkenstrecke ist.

Durch diese Beschaltung mit Varistoren wird vorteilhafterweise erreicht, dass auch bei sehr großer Steilheit der Stoßspannung der Schutzpegel sichergestellt bleibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung nebst Ersatzschaltbild;

Fig. 2 eine modifizierte Ausbildung der Funkenstrecke nebst Ersatzschaltbild.

Die Fig. 1 zeigt die Anordnung einer Mehrfachfunkenstrecke. Die Überspannung u(t) liegt an der gesamten Mehrfachfunkenstrecke an und zündet zunächst nur die erste Teilfunkenstrecke FS1 mit der Eigenkapazität C12. Nach dem Durchzünden der ersten Teilfunkenstrecke liegt an der Teilfunkenstrecke FS2 die Spannung

Damit wird auch die Teilfunkenstrecke FS2 zünden. Alle weiteren Teilfunkenstrecken werden entsprechend sukzessiv durchzünden.

Mit dem Durchzünden jeder Teilfunkenstrecke wird jedoch aus der Signalenergie der Impulsspannung u(t) ein Energiebeitrag zum Aufladen der Steuerkonden satoren C1E . . . CNE entnommen. Ist die Signalenergie begrenzt, wie bei allen durch Schalt handlungen bedingten transienten Überspannungen, so wird die Signalenergie bei entsprechend groß dimensionierten Steuerkondensatoren C1E . . . C(N-1)E völlig aufgezehrt, so dass die n-te Teilfunkenstrecke nicht mehr zünden kann, weil die verbleibende Spannung an der n-ten Teilfunkenstrecke kleiner ist als deren Zündspannung.

Die Dimensionierung der Steuerkondensatoren kann nach folgenden Kriterien erfolgen.

- Lineare Steuerung. Alle CE sind gleich groß. Die Größe der Steuerkondensatoren kann nach folgender Überlegung wie folgt bestimmt werden:

Auf der Seite der Funkenstrecke befindet sich die Leitungskapazität CL, die infolge einer transienten Überspannung auf geladen würde. Die Ladung auf diesem Leitungsstück ist dann Q_L = C_L. Diese Ladung wird nun bei Anwesenheit einer Mehrfachfunkenstrecke durch deren Zünden von den Steuerkondensatoren aufgebraucht. Damit die letzte Teilfunkenstrecke nicht zündet, darf die Ladung nur auf n-1 Teilfunkens trecken verteilt werden. Nachdem die Ladung verteilt ist, soll an der Mehrfachfunkenstrecke nur noch eine Spannung in der Höhe des Schutzpegels anliegen. Dann liegt auf den Steuerkondensatoren die Ladung Q = (n-1).C_E.U_S, Durch Gleichsetzen der Ladungen, Q = Q_L und Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors läßt sich die Größe der Steuerkapazität bestimmen.

= Scheitelwert der Überspannung
U_S = Schutzpegel der Funkenstrecke
k = Sicherheitsfaktor ≧ 1,
wobei CL die Leitungskapazität der Leitung von der Funkenstrecke zur Quelle der Überspannung ist.

In dem Fall eines Blitzeinschlages entsteht eine praktisch unendlich große Signalenergie, die in jedem Fall alle Teilfunkenstrecken zum Ansprechen bringt.

Damit ist vorteilhaft das Ansprechverhalten der Mehrfachfunkenstrecke so eingestellt, dass

- Transiente Überspannungen durch Schalthandlungen die Mehrfachfunkenstrecke nicht auslösen.
- Blitzüberspannungen jeweils auslösen, wenn die Signalenergie der Überspannung groß genug ist, um alle Teilfunkenstrecken durchzuzünden. Reicht die Signalenergie einer Blitzüberspannung (z. B. hervorgerufen durch einen weit entfernten Ferneinschlag,) nicht um Zünden der gesamten Mehrfachfunkenstrecke aus, so bleibt die Spannung dennoch auf einen Wert unterhalb des Schutzpegels begrenzt.
- Das Rückzünden des Blitzstromableiters wird nach dem Löschen des Netzfolgestromes erschwert, weil die transiente wiederkehrende Spannung von den Steuer kondensatoren aufgezehrt wird.

Die Fig. 2 zeigt eine ergänzte Schaltung mit Varistoren.

Das Ansteigen der Spannung durch den Entladeverzug der Teilfunkenstrecke wird durch eine Beschaltung mit Varistoren vermieden. Die Varistoren liegen parallel zu den Teilfunkenstrecken FS2 . . . FSN und halten für den Zeitbereich bis die Teilfunkenstrecken verspätet durchzünden, die Spannung an diesen nahezu konstant auf einem durch die Kennlinie der Varistoren vorgegebenen Level. Da die Varistoren gegenüber einer Luftfunkenstrecke nahezu verzögerungsfrei wirken, ergibt sich eine von der Steilheit der Spannung nahezu unabhängige Stoßkennlinie. Lediglich die erste Teilfunkenstrecke FS1 muss durch die natürliche Gasentladung zünden. Bei einer Mehrfachfunkenstrecke kann aber die Zündspannung der ersten Teilfunkenstrecke FS1 auf einen Wert weit unterhalb des Schutzpegels eingestellt werden.

Die Dimensionierung der Varistoren erfolgt nach folgender Beziehung:

(n-1) U_r + U_AK < U_S

n: Anzahl der Funkenstrecken
U_r: Restspannung des Varistors
U_AK: Spannung an der obersten Teilfunkenstrecke FS1, gegeben durch Anoden und Kathodenfall.
U_S: Schutzpegel der Mehrfachfunkenstrecke

Durch diese Beschaltung mit Varistoren wird vorteilhaft erreicht, dass auch bei sehr großen Steilheit der Stoßspannung der Schutzpegel sichergestellt bleibt.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims

1. Blitzstromtragfähige Funkenstrecke mit mehreren in Reihe geschalteter Funkenstrecken, wobei die Funkenstrecke aus n-Teilfunkenstrecken (FS) besteht, deren Lichtbogenbrennspannung durch Reihenschaltung der Teilfunkenstrecken (FS) auf den n-fachen Wert der Lichtbogenbrennspannung einer Teilfunkenstrecke gebracht ist, und die Teilfunkenstrecken (FS) mit Ausnahme der im Blitzstromereignisfall ersten ansprechenden Funkenstrecke (FS1) durch Impedanzen, insbesondere Kapazitäten beschaltet sind, so dass die Teilfunkenstrecken (FS) sukzessive durchschalten, wobei die zweite und jede weitere Funkenstrecke (FS2-FSN) über die Impedanzen direkt an ein gemeinsames Bezugspotential, insbesondere Erdpotential, gelegt sind und jeweils Impedanzen gleicher Dimension eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der Steuerkondensatoren nach folgender Formel erfolgt:
(n-1) × CE = k × CL × û/u_s, wobei n die Anzahl der Kondensatoren, CE jeder Steuerkondensator, k ein Sicherheitsfaktor ≧ 1, CL die Leitungskapazität der Leitung von der Funkenstrecke zur Quelle der Überspannung, û der Scheitelwert der Überspannung und U_s der Schutzpegel der Funkenstrecke ist.

2. Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilfunkenstrecken mit Ausnahme der ersten Teilfunkenstrecke FS1 mit Varistoren beschaltet sind, die jeweils parallel zu den Teilfunkenstrecken (FS2 bis FSN) liegen, wobei die Dimensionierung der Varistoren nach folgender Beziehung erfolgt:
(n-1) U_r + U_AK < U_s, wobei n die Anzahl der Funkenstrecken, U_r die Restspannung des Varistors, U_AK die Spannung an der ersten Funkenstrecke FS1, gegeben durch Anoden- und Kathodenfall, und U_s der Schutzpegel der Mehrfachfunkenstrecke ist.