EP0874430A2

EP0874430A2 - Funkenstrecke

Info

Publication number: EP0874430A2
Application number: EP98105689A
Authority: EP
Inventors: Peter Dr.-Ing. Zahlmann; Raimund König; Georg Wittmann; Martin Dipl.-Ing. Stuiber; Willibald Duschek
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 1997-04-26
Filing date: 1998-03-28
Publication date: 1998-10-28
Anticipated expiration: 2018-03-28
Also published as: US5963413A; EP0874430B1; DE19717802A1; ZA983489B; DK0874430T3; DE19717802B4; ATE221265T1; EP0874430A3; DE59804850D1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke zum Einsatz in der Stromversorgung von Mittelspannungsnetzen und Niederspannungsnetzen mit zwei rotationssymmetrischen Elektroden (4, 4''; 7, 8), die im Innern eines Gehäuses (1) angeordnet sind und mit einem zwischen den beiden Elektroden vorgesehenen Lichtbogenraum (10) für den im Überschlagsfall sich bildenden Lichtbogen und dessen Folgestrom. Um beim Einsatz in Mittelspannungs- oder Niederspannungsnetzen unterschiedlichen elektrischen Bedingungen in der Praxis gerecht zu werden ist vorgesehen, daß beide Elektroden (4, 4''; 7, 8) in Richtung der Längsmittelachse (11) der Funkenstrecke hintereinander und im Abstand voneinander angeordnet sind, daß sich in dem o.g. Abstand eine senkrecht zur vorgenannten Längsmittelachse verlaufende Scheibe (9) aus einem elektrische isolierenden Werkstoff befindet, welche die beiden Elektroden elektrisch voneinander trennt, wobei die Isolierscheibe eine dem hohlzylindrischen Innenraum angepaßte Öffnung aufweist und dort die Überschlagstelle für den ansprechenden Lichtbogen bildet, daß der Lichtbogenraum als rotationssymmetrische und zur Längsmittelachse konzentrische Lichtbogenkammer (10) für den Folgestrom ausgebildet ist, die sich zwischen den beiden Elektroden befindet, und daß unter Beibehaltung der Außenabmessungen der Funkenstrecke die elektrisch wirksame Länge (L) dieser Lichtbogenkammer unterschiedlich wählbar ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke zum Einsatz in der Stromversorgung von Mittelspannungsnetzen und Niederspannungsnetzen mit zwei rotationssymmetrischen Elektroden, die im Innern eines Gehäuses angeordnet sind und mit einem zwischen den beiden Elektroden vorgesehenen Lichtbogenraum für den im Überschlagsfall sich bildenden Lichtbogen und dessen Folgestrom (Oberbegriff des Anspruches 1). Eine derartige Funkenstrecke ist aus DE-PS 29 34 236 bekannt. Bei sämtlichen Ausführungen dieser Literaturstelle befindet sich der jeweilige Lichtbogenraum als eine Überschlagstelle an den Rändern oder Seiten der Elektroden. Bei allen Ausführungen sind nachteiligerweise die elektrischen Daten der Funkenstrecke festgelegt. Dies gilt insbesondere hinsichtlich des Folgestromlöschvermögens. Ein weiterer Mangel bei Funkenstrecken der o. g. Bauart, aber auch bei anderen Funkenstrecken, besteht darin, daß aufgrund sehr unterschiedlicher Installationsorte und der dort gegebenen, ebenfalls unterschiedlichen Anschlußbedingungen sich in der heute üblichen Praxis eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen der Anschluß- und Einbaumittel von Funkenstrecken ergeben hat.

In der o.g. Literaturstelle DE 29 34 236 C2 wird hinsichtlich der Anbringung bzw. Montage der Funkenstrecke nichts ausgeführt. Auch sind keine Hinweise hinsichtlich der Anpassung einer solchen Funkenstrecke an unterschiedliche elektrische Bedingungen gegeben.

Die DE-PS 732 002 zeigt einen Überspannungsableiter zum Einsatz in der Hochspannungstechnik. Innerhalb eines langgestreckten, gehäuseartigen Zylinderrohres aus isolierendem Material ist rotationssymmetrisch dazu eine stiftförmige Elektrode, sich daran anschließend ein Rohr aus einem bei Erhitzung Gas abgehenden Werkstoff und schließlich am Ende des äußeren Gehäuserohres eine etwa topfförmig ausgebildete Gegenelektrode mit einer Ausblasöffnung vorgesehen. Aufgrund der relativ großen Entfernung zwischen der stiftförmigen Elektrode und der topfförmigen Gegenelektrode ist ein solcher Überspannungsableiter nur für den Einsatz in der Hochspannungstechnik verwendbar, nicht aber für den Einsatz in Mittelspannungs- oder Niederspannungsnetzen. Auch bei diesem Überspannungsableiter sind keine Hinweise zur Anpassung an unterschiedliche elektrische Bedingungen gegeben.

Die Aufgaben- bzw. Problemstellung der Erfindung besteht daher zunächst in der Schaffung einer Funkenstrecke, die bei Einsatz in Mittelspannungs- oder Niederspannungsnetzen unterschiedlichen elektrischen Bedingungen der Praxis gerecht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist zunächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1, eine Funkensteckenausbildung gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 dahingehend vorgesehen, daß beide Elektroden in Richtung der Längsmittelachse der Funkenstrecke hintereinander und im Abstand voneinander angeordnet sind, daß sich in dem o.g. Abstand eine senkrecht zur vorgenannten Längsmittelachse verlaufende Scheibe aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff befindet, welche die beiden Elektroden elektrisch voneinander trennt, wobei die Isolierscheibe eine dem hohlzylindrischen Innenraum angepaßte Öffnung aufweist und dort die Überschlagstelle für den Lichtbogen bildet, daß der Lichtbogenraum als rotationssymmetrische und zur Längsmittelachse konzentrische Lichtbogenkammer für den Folgestrom ausgebildet ist, die sich zwischen den beiden Elektroden befindet, und daß unter Beibehaltung der Außenabmessungen der Funkenstrecke die elektrisch wirksame Länge dieser Lichtbogenkammer unterschiedlich wählbar ist. Somit verläuft der Folgestrom innerhalb der Lichtbogenkammer etwa entlang der Längsmittelachse der Funkenstrecke. Hiermit kann bei sonst gleichbleibenden Abmessungen der Funkenstrecke das Folgestromlöschvermögen dieser Funkenstrecke geändert und damit den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Die Wahl bzw. Änderung der wirksamen elektrischen Länge der Lichtbogenkammer erfolgt bereits in der Herstellung, d.h. ab Fabrik, entsprechend den in der Praxis zu erwartenden Anforderungen. Dies hat den großen Vorteil, daß man bei im übrigen gleichbleibenden Bauteilen, und insbesondere auch gleichbleibenden Außenabmessungen und auch gleichen äußeren Anschlußteilen das Folgestromlöschvermögen einer solchen Funkenstrecke verändern kann. Der Lichtbogen und seine Löschung ist im Gegensatz zur Literaturstelle DE 29 34 236 nach innen in eine zumindest zu den hier wesentlichen Bauteilen der Funkenstrecke wie den Elektroden rotationssymmetrische und zur Längsmittelachse der Funkenstrecke konzentrische Kammer gelegen. Dies erlaubt mehrere vorteilhafte und baulich einfach zu realisierende Möglichkeiten zur Veränderung der elektrisch wirksamen Länge dieser Kammer. Hierzu wird auf die späteren Ausführungen verwiesen.

Gegenüber dem Gegenstand von DE 732 002, bei dem die Ansprechspannung durch den relativ großen Abstand zwischen den beiden Elektroden bestimmt wird, ist mit der Erfindung die Ansprechspannung relativ klein, da sie im wesentlichen nur von der Dicke der Isolierscheibe abhängt.

Ferner können in einer bevorzugten Ausführung gemäß Anspruch 2 Maßnahmen zur Wählbarkeit der Feldstärke an der Überschlagstelle vorgesehen sein. Hiermit wird zusätzlich zu der Wählbarkeit des Löschvermögens des Folgestromes eine Wählbarkeit der Ansprechspannung dieser Funkenstrecke erreicht. Auch dies geschieht unter Beibehaltung der äußeren Abmessungen der Funkenstrecke und deren äußeren Anschlußmittel in der Herstellung ab Fabrik. Somit sind die Vorteile beider Einstellungen bzw. Wählbarkeiten kombiniert. Wie bereits erwähnt, sind die vorgenannten Änderungen bzw. Wählbarkeiten ab Fabrik durch Auswechseln, bzw. Abändern einiger weniger Teile mit einem relativ geringen Fertigungsaufwand ermöglicht. Hierzu wird auf die späteren Ausführungen, einschließlich der zugehörigen Unteransprüche Bezug genommen. Die Lehre der Erfindung hat so außerdem den Vorteil, daß man dadurch auch Veränderungen der Stoßstromtragfähigkeit erreichen kann. Auch dabei ist es wesentlich, daß - im Rahmen eines gewissen Baugrößenbereiches - die äußeren Konturen der Funkenstrecke und die Mittel zur Anbringung der Funkenstrecke vor Ort durch die baulichen Veränderungen für die vorgenannten Änderungen nicht geändert werden müssen. Es sind also nur eine Standardausführung oder nur wenige Standardausführungen solcher Funkenstrecken zu schaffen, die jeweils unter unterschiedlichen Installationsbedingungen montiert werden können. Hierzu wird auf die Unteransprüche 13, 17 und 18 verwiesen. Durch die mögliche Anpassung an unterschiedliche elektrische Bedingungen und unterschiedliche mechanische Installationen kann eine solche Funkenstrecke weitgehend universell eingesetzt werden.

Für die Änderung der elektrisch wirksamen Länge der Lichtbogenkammer sieht die Erfindung mehrere Ausführungsmöglichkeiten vor. Hierzu wird auf die Ansprüche 3 und folgende verwiesen.

Auch enthält die Erfindung mehrere Ausführungsmöglichkeiten zur Änderung der Feldstärke an der Überschlagstelle und damit der Ansprechspannung. Hierzu wird auf die Ansprüche 4, sowie 9 und folgende verwiesen.

Eine Veränderung des Durchmessers der Lichtbogenkammer kann ebenfalls bereits in der Herstellung, d.h. ab Fabrik erfolgen. Dies bewirkt in der Relation zu dem ebenfalls ab Fabrik veränderbarem Innendurchmesser der Ausblasdüse eine wesentliche Änderung des Folgestromverhaltens und des Stoßstromverhaltens (siehe Anspruch 16)

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen, sowie der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung von erfindungsgemäßen Ausführungsmöglichkeiten zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1:: ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt,
Fig. 1a:: ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt,
Fig. 2:: im wesentlichen in der Seitenansicht eine derartige Funkenstrecke mit Anschlußmitteln, die in diesem Beispiel an eine Montageplatte und ein Anschlußkabel angeschlossen sind,
Fig. 3:: der Einsatz einer Funkenstrecke nach der Erfindung innerhalb eines Geräte-Außengehäuses,
Fig. 4:: eine Anwendungs- und Einbaumöglichkeit von Funkenstrecken nach der Erfindung in einer schematischen Draufsicht,
Fig. 4a:: eine Seitenansicht zu Fig. 1 in Richtung des Pfeiles IVa,
Fig. 5:: eine weitere Anwendungsmöglichkeit einer Funkenstrecke nach der Erfindung ebenfalls in einer schematischen Draufsicht.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt im Längsschnitt eine Funkenstrecke mit einer Elektrode 4 und einer aus den beiden Teilen 7, 8 bestehenden Gegenelektrode. Dies ist eine im Sinne der Aufgabenstellung und deren Lösung bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Sowohl beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, als auch bei dem weiter unten zu erläuternden Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a sind sämtliche Bauteile der jeweiligen Funkenstrecke rotationssymmetrisch ausgebildet und haben die gleiche Mittellängsachse 11.

Die vorgenannte Rotationssymmetrie gilt insbesondere auch für die Elektroden. Dabei ist im Ausführungbeispiel der Fig. 1 zwischen den Elektroden 4 und 7, 8 die zylindrische und zur Mittellängsachse 11 konzentrische Lichtbogenkammer 10 mit einer Länge L vorgesehen. Die Lichtbogenkammer 10 ist umgeben von einem ebenfalls rotationsförmigen Abstandshalter in Form eines Lichtbogenkammerelementes 2 aus einem bevorzugt elektrisch leitfähigen Kunststoff. Dieser Abstandshalter kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem bei Erhitzung ein Löschgas abgebenden Isolierstoff bestehen. Ein solcher, die Lichtbogenkammer umgebender Isolierstoff gibt unter Temperatureinwirkung H₂ ab, das radial von allen Seiten nach innen strömt, die Lichtbogensäule komprimiert (radiale Beblasung) sowie den Lichtbogen in der Mittellängsachse 11 stabilisiert. Dies ist ein wesentlicher Vorteil der vorstehend erläuterten rotationssymmetrischen Ausgestaltung und Anordnung der Bauteile einer solchen Funkenstrecke. Da kein direkter Kontakt der Lichtbogensäule mit dem Material des Abstandshalters 2 gegeben ist, wird gegenüber dem Stand der Technik (siehe DE 29 34 236) eine wesentlich höhere Lebensdauer bei gleichzeitig geringerer Baugröße der Gesamtanordnung erreicht. Dieser Abstandshalter 2 ist seinerseits umgeben von einem weiteren Abstandshalter 6 aus einem isolierenden Kunststoff. Falls der Abstandshalter 2 aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff besteht, kann durch Variierung der Länge dieses Abstandshalters 2 maßgeblich die elektrisch wirksame Länge L der Lichtbogenkammer und damit das Folgestromlöschvermögen der Funkenstreckenanordnung bestimmt werden. Auch durch die Kombination eines elektrisch leitfähigen Kunststoffes für das Abstandselement 2 mit einem isolierenden Kunststoff für die nachstehend näher erläuterte Isolierscheibe 9 ist eine Verlängerung der elektrisch wirksamen Länge der Lichtbogenkammer möglich, ohne daß sich die Ansprechspannung der Gesamtanordnung verändert, denn die Ansprechspannung ist in diesem Fall nur von der Dicke D der Isolierscheibe 9 abhängig. Hiermit ist eine niedrige Ansprechspannung bei gleichzeitig ausreichend großer Länge der Lichtbogenkammer zu erreichen. Eine dritte Variante zur Wählbarkeit einer anderen elektrisch wirksamen Länge der Lichtbogenkammer besteht in einer Verlängerung oder Verkürzung des in Fig. 1 links befindlichen Teiles 4' der rechts gelegene Elektrode 4. Hierdurch wird die in Fig. 1 linke Stirnseite der Elektrode 4 entweder mehr zur Isolierscheibe 9 hin verlagert (Verkürzung der elektrisch wirksamen Länge L), oder aber es wird der Abstand zwischen dieser Stirnfläche und der Isolierscheibe 9 vergrößert (Vergrößerung der elektrisch wirksamen Länge L der Kammer 10).

Die Isolierstoffscheibe 9 ist zwischen den Abstandshaltern 2, 6 und dem Teil 7 der Elektrode 7, 8 vorgesehen. Die Isolierstoffscheibe trennt somit die Abstandshalter 2, 6 sowohl elektrisch als auch mechanisch von dem Teil 7 der Elektrode 7, 8.

Zusätzlich zur vorstehend erläuterten Wählbarkeit bzw. Änderung der elektrisch wirksamen Länge L der Lichtbogenkammer 10 kann zur Änderung der Ansprechspannung die Dicke D der Isolierscheibe 9 und/oder zur Wählbarkeit der elektrischen Feldstärke und damit der Durchschlagbedingungen die Trennfuge 12 zwischen den beiden Abstandshaltern 2, 6 entsprechend gestaltet sein. Hierzu zeigt Fig. 1 einen abgestuften Verlauf dieser Trennfuge 12, die im übrigen ebenfalls rotationssymmetrisch umläuft. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Abstufung so gewählt, daß der Bereich 2' des Abstandshalters 2 direkt an der Isolierstoffscheibe 9 anliegt. Falls dieser Abstandshalter 2, der die Lichtbogenkammer in ihrer rotationssymmetrischen Form umgibt, aus einem leitfähigen Material besteht wird die Spannung der Elektrode 4 über den Abstandshalter 2 und dessen sich neben der Lichtbogenkammer befindliche Bereich 2' direkt an die Isolierstoffscheibe 9 herangeführt. Da der Bereich 2' des Abstandshalter 2 mit seiner Innenfläche die Lichtbogenkammer umgibt und somit nur durch die Dicke D der Isolierstoffscheibe 9 von der entsprechenden Innenfläche 7' des Elektrodenteils 7 getrennt ist, liegt somit das Maximum der Feldstärke dort an der Isolierstoffscheibe 9 an. Ein etwaiger Überschlag zwischen den beiden Abstandshaltern 2, 6 wird vermieden. Vielmehr erfolgt ein Gleitüberschlag von der Innenfläche 7' des Elektrodenteiles 7 entlang der Innenfläche 13 der Isolierstoffscheibe 9 zur Innenfläche des Bereiches 2' des Abstandshalters 2. Wie bereits erwähnt, ist hierbei vorausgesetzt, daß die relevanten Dielektrizitätskonstanten der Kunststoffe der beiden Abstandshalter 2, 6 so aufeinander abgestimmt sind, daß das Maximum der Feldstärke immer an der Luftgrenzschicht entlang der o.g. Innenfläche 13 liegt. Es wird also die Ansprechspannung durch das Maß D und die Lichtbogenlänge und damit das Löschverhalten durch die Länge L + D bestimmt.

Nur als Beispiel seien nachfolgend die Abmessungen einer möglichen Ausführungsform einer Funkenstrecke nach der Erfindung angegeben. Die Gesamtlänge (gemessen in Richtung der Längsmittelachse 11) kann dabei 50 - 60 mm betragen. Die Länge L der Löschkammer beträgt ca. 5 mm und die Dicke D der Isolierscheibe 0,5 mm. Hieraus ergibt sich, daß die aus Isolierstoff gebildete Länge der Lichtbogenkammer, gemessen an der Länge der Gesamtanordnung klein ist. Da die Größe D wesentlich geringer ist als die Länge L (im vorliegenden Zahlenbeispiel ist D nur 1/10 von L), gibt die Erfindung die weitere vorteilhafte Möglichkeit, die Ansprechspannung zu variieren, ohne die Gesamtlänge L + D so zu ändern, daß die Löscheigenschaften durch Verlängerung oder Verkürzung von L spürbar beeinflußt werden. Durch Beibehaltung des Maßes von D wird erreicht, daß die Ansprechspannung sich nicht ändert. Selbstverständlich können in einer weiteren Variante der Erfindung sowohl die Ansprechspannung, als auch die Löscheigenschaft jeweils auf einen bestimmten Wert ab Fabrik durch entsprechende Bemessungen eingestellt werden.

Zusammenfassend gesagt sind unter entsprechender Abänderung der vorerwähnten Teile ab Fabrik sowohl das Folgestromlöschvermögen, als auch die Größe der Feldstärke und damit der Überschlagspannung variierbar, ohne daß die Außenabmessungen und die Anschlußmöglichkeiten einer solchen Funkenstrecke geändert werden müssen. Denn die Außenabmessungen ergeben sich im wesentlichen durch das aus einem isolierenden Kunststoff oder aus Metall bestehende Außengehäuse 1, welches die in seinem Innern befindlichen Bauteile nach außen abdeckt, gegebenenfalls elektrisch isoliert und zugleich mechanisch zusammenhält. Das Außengehäuse 1 wird aber von den vorgenannten Änderungen nicht berührt.

Um möglichst vielseitig verwendbare Anschlußmöglichkeiten zu schaffen kann die Elektrode 4 ein Sackloch 14 mit einem Innengewinde 15 aufweisen, während der Teil 8 der Elektrode 7, 8 in Art eines Stutzens aus dem Gehäuse der Funkenstrecke herausgeführt und an seinem Außenumfang mit einem Gewinde 16 versehen ist. Die Gewinde 15, 16 ermöglichen beispielsweise das Anschrauben oder Einschrauben dieses Funkenstreckenmoduls als separates Einzelgerät oder als Einbauteil an Stromschienen, in Gehäusen oder an sonstigen elektrischen Bauelementen. Im einzelnen wird hierzu auf die weiter unten gegebene Erläuterung der Fig.3, 4 und 5 verwiesen.

Ferner ist es eine Besonderheit des vorliegenden Ausführungsbeispieles, daß die Elektrode 7, 8 einen zylindrischen und ebenfalls zur Mittellängsachse 11 konzentrischen Innenraum 17 aufweist, der sowohl in die Lichtbogenkammer 10 übergeht als auch nach außen (in Fig. 1 nach links) offen ist. Hiermit können die durch den Lichtbogen erhitzten Gase über den Innenraum 17 nach außen abgeführt (ausgeblasen) werden. Durch den als Düse ausgebildeten Elektrodenteil 7,8 ergibt sich, unterstützt durch die rotationssymmetrische Anordnung zur Mittellängsachse 11, eine gerichtete Gasströmung. Die heißen Gase werden durch die strömungstechnisch optimierte Düse nach außen geblasen. Beim Stand der Technik übliche Umlenkungen der abgehenden Gasströmung sind vermieden. Eine solche Umlenkung hätte nämlich den Nachteil einer Beeinträchtigung des Löschvermögens.

Hinsichtlich der näheren Gestaltung einer solchen ausblasenden Elektrode empfiehlt es sich, den ersten Elektrodenteil 7 als abbrandfesten Einsatz, vorzugsweise aus Wolfram-Kupfer, herzustellen, während das zweite Elektrodenteil und zugleich auch Düsenelement 8 aus einem demgegenüber kostengünstigeren Werkstoff, beispielsweise Messing, hergestellt sein kann. Am Ausgang des Innenraumes 17 und damit am ausgangsseitigen Ende des Elektrodenteiles 8 können sogenannte Auspuffelemente (in der Zeichnung nicht dargestellt) angebracht werden, welche die Temperatur der ausgeblasenen, heißen und hochionisierten Gase soweit herabsetzen, daß im Umfeld dieser Funkenstreckenanordnung keine besonderen Sicherheitsmaßnahmen vorgenommen werden müssen. Ein weiterer Vorteil hinsichtlich einer Anpassung ab Fabrik an elektrische Anforderungen besteht darin, daß durch Wahl des Durchmessers d des Innenraumes 17 und des Durchmessers d' der Lichtbogenkammer 10 die Stoßstromtragfähigkeit und das Folgestromlöschvermögen dieser Funkenstrecke verändert werden können. Dabei ist insbesondere eine Wahl des Verhältnisses des Durchmessers d des Innenraumes 17 zum Durchmesser d' der Lichtbogenkammer 10 möglich. Das Verhältnis d/d' kann 1:1 (s. Zeichnung) bis maximal 2:1 sein. Eine Verkleinerung des Durchmessers d' der Kammer 10 verbessert das Folgestromstromverhalten, während eine Vergrößerung dieses Durchmessers das Folgestromverhalten verschlechtert. Eine Vergrößerung des Durchmessers d des Innenraumes 17 begünstigt das Stromstoßverhalten, während eine Verringerung des Durchmessers d das Stromstoßverhalten verschlechtert. Es können je nach den Anforderungen entweder die Durchmesser d und d' je für sich verändert werden oder es können beide Durchmesser d und d' zugleich abgeändert werden. Hiermit ergeben sich entsprechende Gestaltungsmöglichkeiten. Mit der Vergrößerung des Durchmessers d wird die Stoßstromtragfähigkeit entsprechend erhöht, da die Druckentwicklung in der Lichtbogenkammer 10 sinkt. Da diese Düsenelektrode elektrisch leitfähig ist, kommt es zu einer gerichteten Fußpunktwanderung von innen nach außen und damit einer Lichtbogenverlängerung.

Zur Abdichtung dieser Funkenstrecke im Bereich der Elektrode 4 ist ein ringförmiges Deckelelement 3 mit einem O-Ring 5 vorgesehen. Das Deckelelement 3 hält den äußeren Abstandshalter 6 und drückt ihn gegen die isolierende Scheibe 9. Die Elektrode 4 ist mit einem umlaufenden Bund 18 versehen, der die Andruckkraft des Deckelelementes 3 auf den Abstandshalter 2 überträgt. Der vorgenannte Druck auf das Deckelelement 3 wird von dem umgebogenen Bereich 1' des hier metallischen Außenmantels 1 bewirkt. Diese Umbiegung erfolgt, nachdem zuvor die Bauteile der Funkenstrecke in den Metallmantel 1 eingebracht wurden, wobei sie sich an dessen in Fig. 1 links gezeichneten Abbiegung 1'' abstützen. Um die vorgenannte Druckkraft auf den Abstandshalter 2 optimal übertragen zu können bzw. die in der Lichtbogenkammer erzeugte Druckkraft durch den metallischen Außenmantel 1 aufzunehmen, empfiehlt es sich, den Durchmesser des Bundes 18 der Elektrode 4 größer zu wählen, als den Durchmesser des von der Stirnfläche 19 der Umbiegung 1' umschriebenen Kreises.

Die Herstellung des Außenmantels aus Metall hat den Vorteil, daß er mechanisch hochbelastbar und somit sehr widerstandsfähig ist. Auch kann damit durch das o.g. Umbiegen gemäß Ziffer 1' die notwendige Druckkraft auf die erläuterten Innenteile ausgeübt werden.

Die Ummantelung kann auch bei Erfordernis eine hermetische Umkapselung sein.

Während beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Lichtbogenkammer 10 sich in einem seitlich der Isolierscheibe 9 befindlichen Bereich befindet, kann die wirksame Länge der Lichtbogenkammer auch beiderseits der Isolierscheibe 9 vorgesehen sein. Eine solche, ebenfalls bevorzugte Ausführung der Erfindung ist in Fig. 1a dargestellt. Sie besitzt eine zweigeteilte Lichtbogenkammer, deren Gesamtlänge L sich aus den beiden Teillängen L' und L'' zusammensetzt. Gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 ist sowohl der Aufbau der beiden Elektroden, als auch der Abstandshalter 2, 6 verändert. Die in der Zeichnung rechte Elektrode besteht zunächst aus einem Teil 4, der ebenfalls die Bohrung 14 mit Innengewinde 15 aufweist. Der Teil 4 ist aus einem leitenden Material wie Messing hergestellt. Er ist in Berührungskontakt mit dem weiteren Elektrodenteil 4', der aus einem hochwertigen und abbrandfesten Werkstoff wie Wolfram-Kupfer hergestellt ist. Hieran schließt sich in Richtung zu dem in Fig. 1 a linken Ende die vorgenannte Lichtbogenkammer von der Länge L an. Der Umfang dieser Lichtbogenkammer L wird umgeben von zwei Abstandshaltern 2, 2'' und einer dazwischen befindlichen Isolierscheibe 9. Hieran schließt sich, nach links hin betrachtet, die weitere Elektrode 8 an, die angrenzend zur Lichtbogenkammer L' in einen mit der Elektrode 7 einstückigen Bund 7 ausläuft und durchweg aus einem hochwertigen und abbrandfesten Werkstoff wie Wolfram-Kupfer besteht. Sie ist an ihrem nach außen ragenden Stutzen ebenfalls mit einem Außengewinde 16 versehen. Somit kann auf beiden Seiten der Funkenstrecke ein Deckelelement vorgesehen werden, nämlich nicht nur rechts gemäß Ziffer 3, sondern auch in der Zeichnung Fig. 1a links gemäß Ziffer 3'. Damit ist auch in dieser Ausführung eine elektrische Isolierung beider Elektroden, nämlich 4 und 7, 8 gegenüber dem metallischen Außenmantel 1 gegeben.

Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß bei einem der Ausführungsbeispiele vorgesehenen Merkmalen oder Merkmalskombinationen sinngemäß auch bei den anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen sein können.

Die zwischen den beiden Abstandshaltern 2 und 2'' befindliche Isolierstoffscheibe 9 kann ein selbständiger Einzelteil (siehe Zeichnung) sein. Sie kann aber auch mit dem äußeren Abstandhalter 6 einstückig ausgeführt werden.

Die Abstandshalter 2 und 2'' können vorteilhaft aus elektrisch leitfähigem Kunststoff bestehen. Aus Gründen der Wählbarkeit der Feldstärke zwischen den verschiedenen Abstandshaltern 2, 2'' ist es vorteilhaft, die Dicke D der Isolierscheibe 9 zum Rand hin anwachsen zu lassen. Das Maximum der Feldstärke liegt dann immer entlang der Gleitstrecke 13. Darüber hinaus wird durch diese Maßnahmen einem möglichen Absinken der Ansprechspannung nach Belastung vorgebeugt. Die Ausführungsmöglichkeit nach Fig. 1a hat den weiteren Vorteil, daß im Überschlagsfall der Abbrand des Materials der beiden Abstandshalter 2, 2' gleichmäßig erfolgt, wodurch sich eine Verlängerung der Gleitüberschlagsstrecke, die zwischen den Innenflächen der Abstandshalter 2, 2'' entlang der Innenfläche der Isolierstoffscheibe 9 gelegen ist, und damit eine Erhöhung der Ansprechspannung ergibt, die dem vorgenannten Absinken entgegenwirkt. Bei Erfordernis kann auch der in der Zeichnung rechts dargestellte Abstandshalter 2'' in Fortfall kommen.

Während die Lichtbogenkammerabschnitte L bzw. L' + L'' aus nichtmetallischem, leitfähigem und bevorzugt gasabgebendem Kunststoff bestehen ist die Elektrode 7, 8 aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, der einen Düsenkanal 17 mit einer Öffnung nach außen bildet. Im Bereich der relativ kalten, metallischen Düsenwände findet eine Abkühlung der heißen Gase statt, bevor diese nach außen treten. Mit der Erfindung können ferner glatte, homogene Innenwände der gesamten Lichtbogenanordnung vorgesehen sein. Der Lichtbogenkammerabschnitt D besteht dagegen aus dem isolierenden Kunststoff der Scheibe 9.

Fig. 2 zeigt die Funkenstrecke nach Fig. 1 in der Seitenansicht, wobei der stutzenartige Elektrodenteil 8 mit seinem Außengewinde 16 zum Anschrauben der Funkenstrecke an eine metallische Montageplatte 19 dient. Der Ausgang der Ausblasdüse 17 ist mit 17' und eine Kontermutter zum Halt der Montageplatte 19 ist mit 18 beziffert.

Der in Fig. 2 im oberen Bereich der Funkenstrecke vorgesehene Anschluß besteht aus einem Schraubstutzen 20, der in das Innengewinde 15 der Elektrode 4 eingeschraubt ist. An diesem Schraubstutzen 20 kann ein Kabelschuh 21 eines Anschlußkabels 22 mittels einer Mutter 23 fest angeschraubt werden. Auch hier ist eine Kontermutter 24 vorgsehen. Der überstehende Teil des Deckelelementes 3 bildet die Isolation des elektrischen Anschlusses zum Metallmantel 1.

Aus vorstehendem ergibt sich, daß eine Funkenstrecke gemäß Fig. 1, 1a sowohl die erläuterten Wählbarkeiten der Überschlagspannung, des Stoßstromlöschungsvermögens und der Stoßstromtragfähigkeit ermöglicht, als auch an den verschiedensten elektrischen Anschlußstellen angeschraubt werden kann, also auch insoweit weitgehend universell einsetzbar ist. Dies ist sehr kostengünstig.

Fig. 3 zeigt die Funkenstreckenanordnung 1 nach Fig. 1 oder 1a mit einem Metallmantel. Sie befinden sich in einem Geräte-Außengehäuse 25 aus einem isolierenden Werkstoff. Ein Anschluß 26 dieses Gehäuses ist über einen Anschlußbügel 27 und eine Schraube 28, die in das Innengewinde 15 der Elektrode 4 eingeschraubt ist, an diese Elektrode angeschlossen. Ein weiterer Anschluß 29 des Außengehäuses 25 ist über einen weiteren Anschlußbügel 30 mit dem stutzenförmigen Ausgang des Elektrodenteiles 8 verbunden. Hierzu hat der Anschlußbügel 30 eine Bohrung, mit der er über den nach außen vorstehenden Stutzen des Elektrodenteiles 8 gesteckt und durch eine Mutter 31 fest gehalten wird, die auf das Außengewinde 16 aufgeschraubt ist. Am Gasaustritt 17 ist ein Auspuffelement 32 vorgesehen. Dieses Auspuffelement hat den Vorteil, daß man den sonst bei anderen ausblasenden Funkenstrecken notwendigen "Schutzraum", oder eine bestimmte Entfernung zu blanken, spannungsführenden oder zu brennbaren Teilen nicht benötigt, bzw. erheblich reduzieren kann. Dabei ist dieses Auspuffelement so gestaltet, daß die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Massendurchsatz der austretenden Gase reduziert wird. Dies wirkt sich positiv auf das Löschvermögen, insbesondere auf die Strombegrenzung, aus.

Da der metallische Mantel der Funkenstrecke 1 unter Spannung stehen kann, ist es in diesem Fall notwendig, ihn mit einer Kappe 33 aus einem isolierenden Werkstoff zu versehen. Damit ist es möglich, deren Abstand a zum Anschlußbügel 27 relativ klein halten zu können, ohne daß eine Überschlagsgefahr besteht. Das Geräte-Außengehäuse 25 mit seinen Anschlüssen 26, 29 dient also als Einbaugehäuse für diese Funkenstreckenanordnung, deren standardisierte Außenkontur in dieses Gehäuse paßt. Hierbei werden keine besonderen mechanischen Beanspruchungen von der Funkenstrecke auf das Außengehäuse übertragen. Ferner soll das Geräte-Außengehäuse eine geringe Kriechstromneigung haben. Das von der Funkenstrecke gebildete Modul soll, insbesondere mittels seiner metallischen Ummantelung, keine Druckentwicklungen aufgrund heißer Gase oder dergleichen auf das Geräte-Außengehäuse 25 übertragen. Das Geräte-Außengehäuse kann auf Montageträgern, d.h. Schienen montiert oder lösbar befestigt werden.

Anhand der Figuren 4, 4 a und 5 werden entsprechend vorteilhafte Anschlüsse einer solchen Funkenstrecke bei einer mehrpoligen Schienenanordnung sowie an einer Potentialausgleichsschiene gezeigt. Sonst notwendige Verbindungs- und Montage-Elemente entfallen dabei.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 4a zeigt ein 3-Phasensystem L1, L2 und L3 mit einem PE/PEN-Leiter. Es sind drei Funkenstrecken 1 vorgesehen, die ausgangsseitig mit ihrem herausragenden Elektrodenteil 8 an den Leiterschienen der drei o.g. Phasen angeschraubt sind (siehe hierzu die Seitenansicht 4a). Oberseitig sind die Elektroden 4 der Funkenstrecken über eine Schiene 34 kurzgeschlossen und mit der PE/PEN-Schiene verbunden. Die Schiene 34 kann an der Elektrode mit Hilfe eines Schraubstutzens 20 gehalten werden (siehe hierzu die Beschreibung zu Fig. 2). Ferner sind in Fig. 4 schematisch eine Kabeleinspeisung 35 und Kabelabgänge 36, sowie elektrisch isolierende Stromschienenhalter 37 mit dargestellt. Derartige Stromschienensysteme werden vielfach in Schalt- und Verteilersystemen der Gebäudeinstallationstechnik eingesetzt. Sie sind in der dargestellten und beschriebenen Weise mit Funkenstrecken zu bestücken, die eine blitzstromgerechte Installation schaffen, einschließlich der erläuterten Vorteile.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind Funkenstrecken 1 nach der Erfindung vorgesehen, um die vom betreffenden Energieversorgungsunternehmen ankommenden Kabel 39 bzw. deren Stromschienenanschlußklemmen an eine Potentialausgleichsschiene 38 anzuschalten. Die Funkenstrecken 1 befinden sich also zwischen der jeweiligen Stromschiene 40 und der Potentialausgleichsschiene 38, so daß im Fall von Überspannungen diese auf direktem Weg an die Potentialausgleichsschiene abgeleitet werden.

An diese Potentialausgleichsschiene 38 können neben dem Fundamenterder 41 beispielsweise ein ebenfalls mit 41 benannter Blitzableiter, metallische Rohrleitungen 42 einer Heizungsanlage, ein Hauptpotentialausgleichsleiter 43 und dgl. angeschlossen sein. Somit ist durch die Potentialausgleichsschiene 38 ein gemeinsamer Erdungspunkt der Funkenstrecken 1 in ihrer Funktion als Überspannungsableiter und allen weiteren, in den Potentialausgleich einzubeziehenden Systemen gegeben.

Besonders die zuletzt erörterten Ausführungsbeispiele der Fig. 4 und 5 zeigen den Vorteil der leichten Montierbarkeit eines solchen Funkenstreckenmoduls mit Schraubanschlüssen, welche von den beiden Elektroden 4 bzw. 7, 8 gebildet werden. Dies trägt mit zum universellen Einsatz einer solchen Funkenstrecke bei, wobei eine blitzstromgerechte Installation realisiert werden kann, da durch die konstruktive Gestaltung und die mögliche Anschlußtechnik der Erfindung sogenannte "Stichleitungen" im Ableiterzweig vermieden werden können.

Das Zusammenwirken der erläuterten elektrischen Eigenschaften einer solchen Funkenstrecke stellt bereits einen Kombinations- oder Synergieeffekt dar. Dieser Synergieeffekt kann im Falle der Ausgestaltung der Anschlüsse der Elektroden 4 und 7, 8, wie vorstehend angegeben, noch wesentlich verstärkt werden.

Alle neuen Merkmale und ihre Kombinationen miteinander werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims

Funkenstrecke zum Einsatz in der Stromversorgung von Mittelspannungsnetzen und Niederspannungsnetzen mit zwei rotationssymmetrischen Elektroden, die im Innern eines Gehäuses angeordnet sind und mit einem zwischen den beiden Elektroden vorgesehenen Lichtbogenraum für den im Überschlagsfall sich bildenden Lichtbogen und dessen Folgestrom, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden (4; 4, 4'; 7, 8) in Richtung der Längsmittelachse (11) der Funkenstrecke hintereinander und im Abstand voneinander angeordnet sind, daß sich in dem o.g. Abstand eine senkrecht zur vorgenannten Längsmittelachse verlaufende Scheibe (9) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff befindet, welche die beiden Elektroden elektrisch voneinander trennt, wobei die Isolierscheibe eine dem hohlzylindrischen Innenraum angepaßte Öffnung aufweist und dort die Überschlagstelle für den ansprechenden Lichtbogen bildet, daß der Lichtbogenraum als rotationssymmetrische und zur Längsmittelachse konzentrische Lichtbogenkammer (10) für den Folgestrom ausgebildet ist, die sich zwischen den beiden Elektroden befindet, und daß unter Beibehaltung der Außenabmessungen der Funkenstrecke die elektrisch wirksame Länge (L) dieser Lichtbogenkammmer unterschiedlich wählbar ist.
Funkenstrecke nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur unterschiedlichen Wählbarkeit der Feldstärke an der Überschlagstelle (13), und zwar unter Beibehaltung der äußeren Abmessungen der Funkenstrecke.
Funkenstrecke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Lichtbogenkammer (10) umgebendes Lichtbogenkammerelement (2; 2, 2') aus einem elektrisch leitenden Kunststoff besteht, dessen Länge (L) wählbar ist, beispielsweise durch eine Längenveränderung der angrenzenden Elektrode (4; 4, 4').
Funkenstrecke nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Lichtbogenkammer umgebende Lichtbogenkammerelement (2; 2, 2') aus einem bei Erwärmung ein Löschgas, z.B. H₂, abgebenden Kunststoff besteht.
Funkenstrecke nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbogenkammerelement (2) als Abstandshalter zwischen den beiden Elektroden (4; 7, 8) angeordnet ist, wobei sich zwischen dem Abstandshalter und einer (7, 8) dieser Elektroden ein Spalt zur Aufnahme der Isolierstoffscheibe (9) befindet und daß die Dicke (D) dieses Spaltes unterschiedlich wählbar ist.
Funkenstrecke nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine aus Dielektrika unterschiedlicher Leitfähigkeit geschichtete, entlang der Längsmittelachse (11) der Funkenstrecke sich dazu rotationssymmetrisch erstreckende Lichtbogenkammer mit einer elektrisch wirksamen Länge (L), wobei ferner eine Isolierscheibe (9) mit der Dicke (D) vorgesehen ist, wobei das Größenverhältnis von D : L etwa gleich 1:10 ist.
Funkenstrecke nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Abstandshalter (6) aus einem isolierenden Werkstoff vorgesehen ist, der sich zwischen dem als Abstandshalter dienenden Lichtbogenkammerelements (2) und einer äußeren Ummantelung (1) der Funkenstrecke befindet.
Funkenstrecke nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßfläche zwischen dem inneren Lichtbogenkammerelement (2) und dem äußeren Abstandshalter (6) abgestuft ist derart, daß das Lichtbogenkammerelement (2) nur mit einem umlaufenden Bund (2') an der Isolierstoffscheibe (9) anliegt, wobei der Bund (2') die Isolierkammer (10) mit umgibt.
Funkenstrecke nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbogenkammerelement (2) aus zwei Abstandshaltern (2, 2') mit entsprechenden elektrisch wirksamen Längen (L', L'') besteht und eine Isolierstoffscheibe (9) mittig zwischen den beiden Abstandshaltern (2, 2'') angeordnet ist.
Funkenstrecke nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoffscheibe (9) in Radialrichtung nach außen in ihrer Dicke (D) bevorzugt linear zunimmt.
Funkenstrecke nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, jeweils aus zwei Abstandshaltern (2, 2'') und einer dazwischen befindlichen Isolierstoffscheibe (9) bestehende Anordnungen nebeneinander vorgesehen sind.
Funkenstrecke nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine bevorzugt metallische Ummantelung (1), welche die Bauteile der Funkenstrecke zusammenhält.
Funkenstrecke nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (4; 7, 8) als Anschlüsse, bevorzugt mit Schraubgewinde (15, 16) ausgebildet sind.
Funkenstrecke nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (8) als Ausblasdüse (17) ausgebildet ist.
Funkenstrecke nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch die ausgestoßenen Gase bremsenden und in der Temperatur reduzierenden Auspuffelemente (32), die außerhalb der Ausblasdüse nahe deren Öffnung (17') vorgesehen sind.
Funkenstrecke nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch eine Wählbarkeit des Innendurchmessers (d) der Ausblasdüse (17) und/oder des Durchmessers (d') der Lichtbogenkammer (10) zwecks Veränderung der Stoßstromtragfähigkeit und /oder Begrenzung des Netzfolgestromes.
Funkenstrecke nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden ein von außen zugängiges Sackloch (14) mit einem Innengewinde (15) aufweist, während die andere, gegenüberliegende Elektrode (7, 8) in Art eines Stutzens (8) aus dem Gehäuse (1) der Funkenstrecke herausgeführt und an seinem Außenumfang mit einem Gewinde (16) versehen ist.
Funkenstrecke nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Bauteile der Funkenstrecke rotationssymmetrisch sind und die gleiche Mittellängsachse (11) aufweisen.
Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Funkenstrecke (1) bildendes Modul in ein Außengehäuse (25) eingebracht und daran befestigt ist.
Funkenstreckenanordnung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Kappe (33) aus einem isolierenden Werkstoff, welche über einen metallischen Ummantelung des Modul gesteckt ist und somit sich zwischen der Ummantelung und dem Außengehäuse (25) befindet.
Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mehrphasigen Anordnung von Stromschienen (L1, L2, L3) an jede Stromschiene eine Funkenstrecke (1) mit einem ihrer Schraubanschlüsse angeschraubt ist und daß der weitere Schraubanschluß jeder dieser Funkenstrecken mit einer gemeinsamen Kurzschluß- oder Erdungsschiene (34) verschraubt ist.
Funkenstreckenanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Mehrphasenanschluß (L1, L2, L3) mit Erdung (PE/PEN) jeweils eine Funkenstrecke (1) vorgesehen und mit einem ihrer Schraubanschlüsse mit der jeweiligen Stromschiene (40) und jeweils mit ihrem anderen Schraubanschluß an einer Potentialausgleichsschiene (34) angeschraubt ist.