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Title:
ENCAPSULATED SPARK-GAP BASED SURGE VOLTAGE PROTECTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/206345
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an encapsulated spark-gap based surge voltage protector (2) having two, at least partially opposing, main electrodes (4, 5) and at least one trigger or auxiliary starting electrode (3) and an arc chamber (6) arranged between the main electrodes. According to the invention, the arc chamber is dominated by an insert part which comprises internally at least one gap-like arc channel (7), wherein the gap length of which is a multiple of the gap width or the gap diameter and the insert part consists at least partially of a gas-emitting material in such a manner that gas is emitted into the arc channel.

Inventors:
EHRHARDT ARND (DE)
Application Number:
EP2018/061090
Publication Date:
November 15, 2018
Filing Date:
May 02, 2018
Export Citation:
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Assignee:
DEHN & SOEHNE (DE)
International Classes:
H01T2/02; H01T4/02; H02H9/06
Foreign References:
DE202016105144U12016-09-30
DE102007002429A12008-05-08
DE202015100397U12016-05-02
DE102004006988A12005-06-30
DE10164025A12003-04-03
DE10211795A12003-07-24
DE19952004A12001-03-08
DE10245144B32004-01-22
DE102004006988A12005-06-30
DE10140950A12003-02-27
DE102011102864A12012-04-26
DE19655119C22001-01-25
DE10164025A12003-04-03
Attorney, Agent or Firm:
KRUSPIG, Volkmar (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Gekapselter Überspannungsabieiter auf Funkenstreckenbasis (2) mit zwei, mindestens teilweise gegenüberl iegenden Hauptelektroden (4; 5) sowie mindestens ei ner Trigger- oder Zündhilfselektrode (3) und einer zwischen den Hauptelektroden (4; 5) vorhandenen Lichtbogenbrennkam mer (6),

dadurch gekennzeich net, dass

die Lichtbogenbrennkammer (6) aus einem Einsatztei l besteht oder ein Einsatzteil a ufweist, welches in seinem Inneren m indestens einen spaltartigen Lichtbogenkanal (7) besitzt, wobei dessen Spaltlänge ein Vielfaches der Spalthöhe oder des Spaltd urchmessers beträgt, und das Einsatzteil mindestens teilweise aus einem gasabgebenden Material besteht, derart, dass eine Gasabgabe in den Lichtbogenkanai (7) erfolgt.

2. Überspann ungsabieiter nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeich net, dass

der spaitartige Lichtbogenkanal (7) U mlenkungen ( 10) aufweist und/oder spira lförmig oder als Mäander im Einsatzteil verläuft.

3. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

zwischen dem Einsatzteil und der zur Lichtbogenbrennkam mer (6) weisenden Oberflächenseite der Ha uptelektroden (4; 5) ein Abstandsraum verbleibt, wobei der mindestens eine spaltartige Lichtbogenka na l (7) im Abstandsraum begi n nt und/oder endet.

4. Überspannungsabieiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Einsatzteil überwiegend aus hartgasabgebendem Material besteht.

5. Überspannungsabieiter nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

der hartgasabgebende Materiafa nteil bei mindestens 50 % liegt.

6. Überspann ungsabieiter nach einem der vora ngega ngenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Einsatzteil eine Sandwichstruktur a ufweist, bei welcher sich abbrandfeste und hartgasabgebende Materialien abwechseln ,

7. Überspann ungsabieiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch geken nzeich net, dass

das Einsatzteil aus einem porösen, abbra ndfesten Materia l besteht.

8. Überspannungsabieiter nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

in den durch die Porosität gebildeten Hohlräumen ha rtgasabgebende Materialien eingebracht sind .

9. Überspann ungsabieiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

mindestens eine der Hauptelektroden (4; 5) einen Rücksprung ( 15) nach Art einer Hohlelektrode aufweist, in dem der spaltartige Lichtbogenkanal (7) beginnt oder endet,

10. Überspannungsa bieiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

im Bereich der Lichtbogenbrennka mmer Entl üftungen (9) zum

Druckausgleich ausgebildet sind ,

11. Überspannungsabieiter nach einem der vorangega ngenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

im Bereich einer der Hauptelektroden (4) Entl üftungen (8) zum

Drucka usgleich ausgebildet si nd .

12. Überspannungsa bieiter nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass

im Bereich der Umlenkungen ( 10) der spaltartige Lichtbogenkana l (7) aus abbrandfesten Materialien gebildet oder von derartigen abbra ndfesten Materialien begrenzt ist.

13. Überspannungsabieiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Trigger- oder Zündelektrode (3) in unmittelbarer Nähe einer der Hauptelektroden (5) in die Lichtbogenbrennkammer (6) hineinreicht.

14. Überspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Trigger- oder Zündelektrode (3) in einen separaten Raum (11) geführt ist, weicher mit der Lichtbogenbrennkammer über einen Kanal (12) verbunden ist, wobei ein Abschnitt der Hauptelektrode (5) den separaten Raum (11) begrenzt und der separate Raum ( 11) mit einer Entlüftung (13) in Verbindung steht,

15. Verfahren zur Dimensionierung eines Lichtbogenkanals für einen folgestromfreien gekapselten Überspannungsabieiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Einstellung der elektrischen Feldstärke des störungsbedingten

Lichtbogens auf mindestens 60 V/mm erfolgt, wobei die Höhe oder der Durchmesser des Lichtbogenkanals im Bereich zwischen 0, 1 bis 1 mm liegt und die Länge oder Breite des Spalts mindestens das 10-fache beträgt und die Triggereinrichtung so ausgeführt wird, dass eine Zündung der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden nur bei Impulsstrombelastungen vorgegebener Höhe eintritt, welche sicherstellt, dass der Lichtbogenspannungsbedarf oberhalb der jeweiligen Netzspannung liegt.

Description:
Gekapselter Überspannungsabieiter auf Funkenstreckenbasis

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen gekapselten Überspannungsabieiter auf

Funkenstreckenbasis mit zwei, mindestens teilweise gegenüberliegenden

Hauptelektroden sowie mindestens einer Trigger- oder Zündhilfselektrode sowie einer zwischen den Hauptelektroden vorhandenen Lichtbogenbrennkammer nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Dimensionierung eines Lichtbogenkanals für einen folgestromfreien Überspannungsabieiter gemäß der Lehre nach Patentanspruch 15.

Es ist bekannt, Überspannungsschutzgeräte in elektrischen und informationstechnischen Systemen und Netzen zum Schutz der Anlagen von Verbrauchern oder Endgeräten einzusetzen.

Überspannungsschutzgeräte begrenzen insbesondere bei transienten

Überspannungen, zum Beispiel Blitzereignissen, die Spannung auf unkritische Werte.

Die Begrenzung erfolgt bei Überspannungsereignissen durch die Ableitung von Impulsströmen im Querpfad und damit im Allgemeinen parallel zu den Verbraucheranschlüssen. Als Überspannungsschutzgeräte und dort eingesetzte Schutzelemente sind Funkenstrecken, Varistoren, Suppressordioden,

Gasabieiter, Kapazitäten und nicht-lineare Widerstände sowie deren

Kombinationen bekannt.

Überspannungsschutzgeräte auf der Basis von Funkenstrecken besitzen ein hohes Abieitvermögen und können Verbraucher bei Blitzimpulsen von mehreren 10 kA erfolgreich schützen.

Durch Triggerschaltungen kann der Schutzpegel von Überspannungsschutzgeräten auf Funkenstreckenbasis bis auf ca. 1 kV selbst bei hohen Belastungen reduziert werden, so dass sich ein ähnl iches Schutzniveau wie bei leistungsschwächeren Varistoren erreichen lässt.

Einfache Funkenstrecken mit niedrigem Schutzpegel besitzen allerdings den Nachteil, dass nach Ableitung von Im pulsströmen ein netzfrequenter Folgestrom auftreten kann . Dieser Folgestrom führt in einem Verbrauchernetz zu unerwünschten Störungen und kan n in Netzen mit geringer Nennstromstärke zum unerwünschten Auslösen von Überstromsch utzorganen oder weiteren Ü berwachu ngseinrichtungen führen .

Zur Lösung dieser Folgestrom problematik sind i m Sta nd der Technik

unterschiedliche Ansätze zu finden .

So zeigen die DE 102 11 795 AI, die DE 199 52 004 AI und die DE 102 45 144 B3 Triggerschaltungen für Funkenstrecken zur Realisierung ei nes niedrigen Schutzpegeis, welche g leichzeitig das Zü nden der Hau ptentladungsstrecke der Funkenstrecke bis zu energiereichen Störgrößen i m Unterschied zu einfachen Triggerschaltungen ohne eigene Im pulsstromfähig keit verhindern .

Durch eine solche Maßnahme wird bei energiea rmen Belastu ngen das

Entstehen netzfrequenter Folgeströme verm ieden und es wird eine

entsprechend ausgerüstete Funkenstrecke vor zusätzlichen und un nötigen Belastungen geschützt.

Die DE 102 11 795 AI offenbart ei ne komplexe Bewertung der jeweil igen Störgröße in einem vollständig sepa raten, para l lelen Abieitpfad , Eine

Ionisierung in der eigentlichen Funkenstrecke erfolgt erst nach Auswertung der Störgröße.

Eine ähn liche Lösungsrichtu ng zeigt die DE 199 52 004 AI . Diese Druckschrift offenbart darüber hi naus die Möglichkeit, eine Hilfsfunkenstrecke in der Hauptfunkenstrecke unmittelbar zu aktivieren u nd die Zündung der

Hauptfunkenstrecke von der Da uer oder der Höhe der Ionisierung der

Teilfunkenstrecke abhängig zu gesta lten .

Nach der DE 10 2004 006 988 AI oder der DE 101 40 950 AI ist es bekannt, eine Verlagerung der Hilfsentlad ung in tei lweise von der Hauptentladungs- strecke a bgeschottete bzw. zurückgesetzte Räume vorzunehmen . Bei der Zündung der Hauptentlad ungsstrecke Ist jedoch das Auftreten von

netzfrequenten Folgeströmen weiterhin möglich .

Zur Beg renzung oder Vermeid ung von Netzfolgeströmen in Funkenstrecken sei beispielsweise auf die DE 10 2011 102 864 AI verwiesen. Dort ist eine Stapelanordnung zur sicheren Vermeidung von Folgeströmen beschrieben . Hierbei werden so viele Einzelfunkenstrecken in Reihe gescha lten, dass die Sum me der Anoden- und Kathodenfal!spannung bereits über der Netzspannung liegt. Nachteilig ist hier der Aufwand zu r Realisierung eines niedrigen

Schutzpegels und der hohe Platzbedarf.

Die DE 196 55 119 AI offen bart ei ne Funkenstrecke, bei welcher der

Netzfolgestrom in ei ner gekapselten Anordnung eine Druckerhöhu ng bewirkt und dieser Druckaufbau den Folgestrom begrenzt.

Gemäß der DE 101 64 025 AI wird der Folgestrom du rch die Einengung des Lichtbogens in einem Kanal und die zusätzliche Gasabgabe des Kana lmaterials stark begrenzt. Weiterhin ist die Verlängerung des Lichtbogens durch eine gezielte Gasströmung möglich . Zusam menhänge zwischen Impulsstromtragfähigkeit, dem Folgestromverhalten und der mecha nischen bzw.

thermischen Belastung von Fu nkenstrecken bei Verwendung von Hartgas sind in dieser Druckschrift dargelegt.

Grundsätzlich kann die Vermeidu ng von Folgeströmen bei Funkenstrecken mit hoher Im pulsstromtragfähig keit mit der Ausnahme a ufwändiger Stapelfunkenstrecken kaum sichergestel lt werden .

Bei der Auslegu ng einer Funkenstrecke sind die Nennspannung des Netzes, der prospektive Netzkurzschl ussstrom a ber auch die maximale Impulsstrombelastung bekannt. Bei Funkenstrecken mit niedrigem Schutzpegel sind die Ursachen für das Aktivieren der Fu nkenstrecke jedoch sehr unterschiedl ich und nicht zwingend an Überspannu ngen mit hohen Energiein halten gekoppelt. Somit sind die Höhe, die Da uer und die Wellenform der Impulsströme sehr unterschiedlich . Bei Funkenstrecken entsprechend der DE 101 64025 AI sind die mechanischen und thermischen Belastungen bei den maximalen Blitzstrombelastungen am Höchsten, Dies betrifft insbesondere die Geometrie und die Materialien der Lichtbogenkammer. Die Gestaltung der Lichtbogenkammer ist jedoch auch für die Begrenzung bzw. Vermeidung von Folgeströmen von entscheidender Bedeutung. Eine Optimierung für Höchstimpulsbelastung wirkt sich im

Allgemeinen negativ für die Begrenzung oder Vermeidung von Folgeströmen aus.

Es verbleibt festzuhalten, dass der Aufwand zur Vermeidung von Netzfolgeströmen insbesondere bei energiearmen und kleinen Impulsströmen bei

Funkenstrecken sehr hoch ist und neben einer begrenzten Impulsstromfestigkeit auch die Lebensdauer, den Schutzpegel und das Ausblasverhalten negativ beeinflusst»

Bei hohen Impuisströmen hingegen werden insbesondere bei gekapselten und getriggerten Funkenstrecken extrem hohe Anforderungen an alle Bauteile gestellt.

Bekannte Lösungen aus dem Stand der Technik sind daher auf Kompromisse zielend.

Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten, gekapselten Überspannungsabieiter auf Funkenstreckenbasis mit mindestens zwei teilweise gegenüberliegenden Hauptelektroden sowie mindestens einer Trigger- oder Zündhilfselektrode anzugeben, welche von vornherein

folgestromfrei auslegbar ist.

Die zu schaffende Lösung soll die Folgestromfreiheit bei Betriebsspannung der Funkenstrecke unabhängig von der Höhe des Auslöseimpulses sicher gewährleisten und bei hohen Impulsbelastungen den auftretenden Verschleiß der Bauteile auf beherrschbare Werte begrenzen.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen gekapselten

Überspannungsabieiter auf Funkenstreckenbasis gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1 sowie einem Verfahren zur Dimensionierung eines Lichtbogenkanals für einen folgestromfreien, gekapselten

Überspannungsabieiter gemäß der Lehre nach Anspruch 15.

Die Unteransprüche umfassen hierbei mindestens zweckmäßige

Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Grundgedankens der Erfindung .

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die minimale spezifische Energie, welche zur Zündung der Hauptentladungsstrecke einer Funkenstrecke führt, so mit dem Aufbau und der Funktionsweise der Funkenstrecke abzustimmen, dass der Spannungsbedarf eines Lichtbogens oberhalb der Betriebsspannung bzw. der

Netzspannung liegt.

Das folgestromfreie Verhalten der Funkenstrecke wird dadurch sichergestellt, dass die Zündung der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden nur bei Impulsstrombelastungen ab einer entsprechenden Höhe bzw. Energie erfolgt derart, dass der Spannungsbedarf für einen Lichtbogen während und

unmittelbar nach einer entsprechenden Impulsentladung im Hauptkanal der Funkenstrecke oberhalb der Netzspannung liegt.

Diesbezüglich wird die Methodik der Triggerung und der Aufbau des

Lichtbogenbereiches der Funkenstrecke weitergebildet.

Die Triggerung ermöglicht hier eine Bewertung des Energieinhaltes bzw. der Höhe des Impulsstromes. Der Lichtbogenbereich der Funkenstrecke ist spaltartig und unter Nutzung von gasabgebenden Materialien gestaltet.

Die elektrische Feldstärke im Entladungskanal wird bei der Mindesthöhe des Impulses und der sich durch die Abstimmung hierbei ergebenden Mindest- stromdichte auf ein Vielfaches, jedoch mindestens das Zehnfache einer freien Entladung erhöht.

Eine weitere Erhöhung der elektrischen Feldstärke erfolgt durch die Gasabgabe und dem damit verbundenen Druckaufbau infolge der mindestens zu

erwartenden Impulsenergie. Dieser Druckaufbau bedingt mindestens eine weitere Verdoppelung der bereits vervielfachten elektrischen Feldstärke . Bei dem gekapselten Überspannu ngsabieiter auf Funkenstreckenbasis wird zunächst von zwei, mindestens teilweise gegenüberliegenden Hauptelektroden ausgega ngen . Weiterhin ist mindestens eine Trigger- oder Zündhilfselektrode vorhanden und es liegt eine zwischen den Haupteiektroden vorhandene

Lichtbogenbrennkam mer vor.

Die Lichtbogenbren n kammer besteht aus einem Ei nsatzteil oder wird durch ein solches Einsatzteil gebildet, welches in seinem Inneren mindestens einen spalta rtigen Lichtbogenka na l aufweist.

Die Spaltiänge beträgt ein Vielfaches der Spalthöhe oder des Spaltdurchmessers, wobei das Einsatzteil mindestens teilweise a us dem bereits

erwäh nten gasabgebenden Material besteht, derart, dass ei ne Gasabgabe in den Lichtbogenkanal hinein erfolgt bzw. möglich wird .

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der spalta rtige

Lichtbogenkanal Um lenkungen a uf, besitzt eine Spiralform oder ist als Mäander im Einsatzteil verlaufend rea lisiert.

Zwischen dem Einsatzteil und der zur Lichtbogenbrennkam mer weisenden Oberflächenseite der Hauptelektroden verbleibt erfind ungsgemäß ein

Abstandsraum, wobei der mindestens eine spaltartige Lichtbogenkana l im jeweiligen Abstandsraum beginnt und/oder endet.

Das Einsatzteil kann überwiegend a us dem gasabgebenden Material bestehen, wobei bevorzugt der Anteil des hartgasabgebenden Materials bei mindestens 50 % liegt.

Das Einsatzteil kann darüber hinaus ei ne Sandwichstruktur besitzen, bei welcher sich abbra ndfeste und hartgasa bgebende Abschnitte abwechseln .

In einer Alternative kann das Einsatzteil aus einem porösen, abbra ndfesten Material bestehen .

In den du rch die Porosität gebi ldeten Hohlräumen kann da nn ein

hartgasabgebendes Material ei ngebracht werden . Wenigstens eine der Hauptelektroden weist einen Rücksprung nach Art einer Hohlelektrode auf. In diesem Rücksprungs- oder Hohle lektrodenraum kann dann der spaltartige Lichtbogen beginnen oder enden.

Weiterhin besitzt die Lichtbogenbrennkammer Entlüftungen zum Druckausgleich. Weitere Entlüftungen können im Bereich mindestens einer

Hauptelektrode vorhanden sein. In bekannter Weise können die Entlüftungskanäle als Kanäle kleinen Querschnittes unter Nutzung üblicher Befestigungsgewinde realisiert werden. Im Bereich der Umlenkungen ist der spaltartige Lichtbogenkanal bevorzugt aus einem abbrandfesten Material, zum Beispiel einem Keramikmaterial, gebildet.

Die Trigger- oder Zündelektrode liegt in unmittelbarer Nähe einer der

Hauptelektroden und reicht in die Lichtbogenbrennkammer hinein.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Trigger- oder Zündelektrode In einen separaten Raum geführt, welcher mit der Lichtbogenbrennkammer über einen Kanal verbunden ist, wobei ein Abschnitt der diesbezüglich räumlich nächstliegenden Hauptelektrode den separaten Raum begrenzt und der separate Raum mit einer weiteren Entlüftung in Verbindung steht.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Dimensionierung eines

Lichtbogenkanals für einen folgestromfreien gekapselten Überspannungsabieiter erfolgt eine Einstellung der elektrischen Feldstärke des störungsbedingten Lichtbogens auf mindestens 60 V/mm, wobei die Höhe oder der Durchmesser des Lichtbogenkanals im Bereich zwischen 0,1 bis 1 mm liegt und die Länge oder Breite des Spalts mindestens das Zehnfache beträgt.

Die Triggereinrichtung ist so ausgelegt, dass eine Zündung der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden nur bei Impulsstrombelastungen vorgegebener Höhe eintritt, welche sicherstellt, dass der Lichtbogenspannungsbedarf oberhalb der jeweiligen Netzspannung liegt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen: Fig . 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Überspannungsabieiters auf Funkenstreckenbasis im Längsschnitt mit sandwichartigem Aufbau des Einsatzteiles; und

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 1, jedoch mit einem

Einsatzteil aus einem porösen Material sowie einer Trigger- oder

Zündelektrode, die in einen separaten Raum geführt ist, welcher mit der eigentlichen Lichtbogenbrennkammer über einen Kanal in Verbindung steht.

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Prinzipdarstellungen (Längsschnitte) gehen von dem Gedanken aus, die minimale spezifische Energie, welche zur Zündung der Hauptentladungsstrecke einer Funkenstrecke führt, so mit dem Aufbau und der Funktionsweise der Funkenstrecke abzustimmen, dass der Spannungsbedarf des Lichtbogens oberhalb der Betriebs- oder Netzspannung liegt, so dass Folgestromfreiheit vorliegt.

Der Spannungsbedarf des Lichtbogens ergibt sich vereinfacht aus der Summe von Elektrodenfailspannung und dem Produkt der elektrischen Feldstärke des Lichtbogens und dessen Länge.

Die Elektrodenfailspannung ist in gewissen Grenzen von der Stromstärke und dem eingesetzten Elektrodenmaterial abhängig. Die Höhe schwankt bei einer einfachen Funkenstrecke und den üblichen Materialien zwischen 11 und 20 V und ist daher bei Anwendungen, beispielsweise in einem

Wechselspannungsnetz von 230/400 V nahezu bedeutungslos.

Die elektrische Feldstärke eines freibrennenden Lichtbogens liegt etwa zwischen 0,8 bis 3 V/mm . Die Länge des Lichtbogens geht im genannten Summanden linear ein .

Da bei Reiheneinbaugeräten die Abmessungen begrenzt sind und sehr große Abstände zwischen den Hauptelektroden auch einen hohen Aufwand zur Ionisierung und somit zur Einhaltung des Schutzpegels erfordern, ist die Lichtbogenlänge bei Funkenstrecken üblicherweise auf wenige 10 mm begrenzt. Bei diesen Längen ergeben sich ohne weitere Maßnahmen nur Lichtbogenspannungen von unter 100 Volt. Bei einem hinreichenden Energieeintrag in der Funkenstrecke und dem Einsatz von Hartgas in der Lichtbogenkammer kann ein dynamischer Druckaufbau sehr schnell zu einer Vervielfachung der elektrischen

Feldstärke des Lichtbogens führen .

Der Energieeintrag erfolgt bei Lösungen entsprechend dem Stand der Technik sowohl durch den Impulsstrom als auch durch den Netzfolgestrom. Bei kleinen Impulsströmen steigt der Anteil des Folgestromes zur Drucksteigerung und bei relativ hohen Impulsströmen bzw. energiereichen Impulsströmen sinkt der Anteil des notwendigen Folgestromes. Vorstehendes geht einher mit einer drastischen Reduzierung des Folgestromes.

Die Höhe bzw. die Energie des Impulsstromes, welcher die Hauptfunkenstrecke zündet, ist jedoch nicht definiert. Der Aufbau des Druckes erfordert zudem eine nicht vernachlässigbare Abgabe von Hartgas und somit eine Alterung der Funkenstrecke.

Eine Einengung des Lichtbogens in Hohlräume, wie beispielsweise in der gattungsbildenden DE 101 64 025 AI vorgeschlagen, führt insbesondere bei kleinen Strömen nicht zwingend zu einer starken Erhöhung der elektrischen Feldstärke und somit der Lichtbogenspannung. Bei sogenannten

wandstabilisierten Lichtbögen ist die Wirksamkeit der Erhöhung der

elektrischen Feldstärke von der Stromdichte abhängig. Bei energiearmen bzw. stromschwachen Impulsen würden sich Kanäle von wenigen 10 pm ergeben. Die mechanischen und thermischen Belastungen in einem einzelnen Kanal bei einer einfachen und kostengünstigen Gestaltung einer Funkenstrecke sind bei den maximal zu beherrschenden Impulsen unter diesen Umständen viel zu hoch .

Das angestrebte folgestromfreie Verhalten der Funkenstrecke unabhängig von der Höhe und Energie der Störgröße wird dadurch sichergestellt, dass die Zündung der erfindungsgemäßen Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden nur bei Impulsstrombelastungen ab einer entsprechenden Höhe oder Energie erfolgt, welche sicherstellt, dass der Spannungsbedarf für einen Lichtbogen oberhalb der Netzspannung liegt. Zur Umsetzung dieses Grundgeda nkens erfolgt eine Abstimmung der

Triggerung und des Aufbaus des Lichtbogenbereiches der Fu nkenstrecke. Die Triggerung ermög licht eine Bewertung des Energiei nha ltes bzw. der Höhe des Im pu lsstromes.

Der Lichtbogenbereich der erfindungsgemäßen Funkenstrecke ist spaltartig mit gasabgebenden Materialien, vorzugsweise POM gestaltet.

Die elektrische Feldstärke im Entladu ngskanal wird bei der M indesthöhe des

Impulses und der sich durch die Abstimmung hierbei ergebenden Mindest- stromdichte a uf ei n Vielfaches, jedoch mindestens das 10-fache einer freien Entladu ng erhöht.

Eine weitere Erhöhu ng der elektrischen Feldstärke wird durch die Gasabga be und den da mit verbundenen Druckaufbau infolge der m indestens zu

erwartenden Impulsenergie erreicht. Dieser Drucka ufbau infolge der Störg röße bedingt mindestens eine weitere Verdoppel ung der bereits vervielfachten elektrischen Feldstärke des Lichtbogens.

Durch die vorstehenden Ma ßnahmen wird gesichert, dass die elektrische Feldstärke des Lichtbogens von m indestens 60 V/mm erreicht ist. Diese

Höhe ist bei einer Nennspannung von 230 V Wechselspa nnu ng und einer Lichtbogen länge von 5 mm fü r ein folgestromfreies Verhalten ausreichend . Fü r höhere Spannungen oder TOV-Belastungen, bei denen ebenso ein folgestromfreies Verhalten gewünscht wird, kan n ei ne weitere Erhöhu ng der elektrischen Feldstärke bzw. der Lichtbogen länge realisiert werden .

Der erfi ndungsgemäße Lichtbogenbereich wird überwiegend bevorzugt spalta rtig ausgeführt, wobei die Höhe des Spaltes bevorzugt kleiner 1 mm, jedoch > 0, 1 m m beträgt. Die Breite oder Länge des Spaltes beträgt ein Mehrfaches seiner Höhe, bevorzugt mindestens das Zehnfache.

Der Spaltbereich ist mindestens von 50 % hartgasabgebenden Stoffen umgeben . Der Spalt kann partiell oder teilweise auch von abbrandfesten Stoffen, beispielsweise Keramiken gebildet werden. Ebenso ist eine Infiltration von Keramiken mit offener Porosität durch gasabgebende Stoffe möglich .

Die vorgeschlagene Anordnung ermöglicht die Änderung der Geometrie des Kanals durch das Nachführen des Hartgases zu begrenzen. Das Nachführen kann passiv durch die Oberflächenerwärmung erfolgen, jedoch kann

beispielsweise aktiv auf die Wärme- bzw. Strahlungsleitung des Materials zu einer Nachführung des Hartgases aus tieferen Bereichen des porösen Stoffes bzw. der Sandwichstruktur zurückgegriffen werden .

Der erläuterte Aufbau ermöglicht es, bei relativ konstanter Kanalgeometrie den Anteil der gasabgebenden Materialien und somit den Druckaufbau bei hohen Belastungen zu begrenzen, da ein Teil der Energie, welche im Wesentlichen als Strahlungsenergie abgegeben wird, nicht direkt für eine zusätzliche

Hartgaserzeugung wirksam wird .

Der spaltartige Lichtbogenkanal kann neben einem geradlinigen Verlauf auch Umlenkungen beinhalten, welche insbesondere bei kleinen Strömen und bei Alterung eine intensive Kühlung im Bereich der Umlenkung auch ohne vollständige Ausfüllung des Kanals mit Plasma erzwingen .

Der Spa lt ermöglicht eine intensive Kühlung relativ stromschwacher Lichtbögen selbst bei noch nahezu kreisförmigen leitfähigen Querschnitten des

Lichtbogens und erlaubt eine weitere Ausdehnung des Lichtbogenquerschnittes mit ellipsoider Gestalt, wodurch die Belastung der Funkenstrecke bei hohen Strömen begrenzt bleibt.

Die Bewertung der Energie der Störgröße durch die Triggerschaltung erfolgt gemäß dem eingangs geschilderten bekannten Stand der Technik. Es können sowohl Triggerschaltungen auf der Basis eines Übertragers zur Erzeugung eines Zündimpulses als auch Funkenstrecken mit permanenter Ionisation einer Hilfsfunkenstrecke eingesetzt werden, bei welchen erst die definierte Zeitdauer und Strom höhe der Störgröße die hinreichende Ionisation und

Zündung des Hauptlichtbogens zwischen den Hauptelektroden ermöglicht. Als Mindeststrom zur Zündung der Hauptentladu ngsstrecke wi rd bevorzugt ein Strom > 1 kA der Impulsform 8/20 με gewählt. Aufgru nd der ku rzen Einwirkzeit wird die Gasabgabe gegenüber Impu lsen der Wellenform 10/350 με mit gleicher Amplitude beg renzt.

Impulse d ieser Im pulsform, welche zur Zündung der Funkenstrecke füh ren, können da her bei gleichem Energieinhalt bezüglich der Amplitude kleiner sein .

Bei der genannten Impulshöhe u nd der erläuterten Kanalgeometrie des

Lichtbogenkanals im Lichtbogenbrennraum kan n die gewünschte

Folgestromfreiheit erzielt werden . Bei größerer Kanalgeometrie erfolgt die Zündung erst bei Impulsen mit höheren Energieinhalten .

Gemäß der Längsschnittdarstel l u ng einer prinzipiellen Ausbildung eines

Überspannungsabieiters auf Funkenstreckenbasis wird von einer

Triggerschaltung 1 und einer Funkenstrecke 2 ausgega ngen .

Die Triggerschaltu ng 1 besitzt hierbei einen von der eigentlichen

Funkenstrecke 2 unabhängigen Ableitpfad, beispielsweise einen Varistor umfassend .

Die Zündu ng der Funkenstrecke 2 erfolgt durch einen in der Triggerscha ltung 1 vorhandenen Übertrager, welcher eine überhöhte Zündspan nung an der Trigger- oder Hilfseiektrode 3 der Funkenstrecke 2 bereitstellt.

Diese Zü ndspannung der Trigger- oder Hilfselektrode 3 wird erst ab einem festgelegten Mindestwert der Energie und/oder der Höhe der abzuleitenden Störgröße zu r Verfügung gestel lt.

In der Funkenstrecke 2 erfolgt somit keine Ionisation bei energiearmen

Belastu ngen. Bei energiereichen Belastungen erfolgt die Ionisation erst zeitlich verzögert gegenüber dem Begi nn der Ableitung der Störgröße unter N utzung der Triggerscha ltung 1.

Die Funkenstrecke 2 weist zwei im Wesentl ichen gegenüberliegende

Hauptelektroden 4; 5 und die bereits erwäh nte Trigger- und Hilfselektrode 3 auf, wobei die Trigger- oder Hilfselektrode 3 eine u nterschiedliche Distanz zu den Hauptelektroden besitzt. Im gezeigten Beispiel ist die Trigger- oder

Hilfselektrode 3 räumlich dicht an der Hauptelektrode 5 befindlich derart, dass nach dem Zünden der Hilfsfunkenstrecke ein Stromfluss über die

Hilfsfunkenstrecke und die Bauteile der Triggerschaltu ng erfolgen kann.

Die Lichtbogenkammer 6 besteht aus einem Einsatzteil, beispielsweise in

Sandwichform, umfassend mehrere Scheiben oder Abschnitte.

Das Einsatzteil bzw. die Lichtbogenkammer grenzt nicht unmittelbar an die

Elektroden an, so dass im Bereich der Oberfläche der Hauptelektroden 4; 5 der für den Lichtbogen zur Verfügung stehende Querschnitt relativ groß ist, wodurch die Stromdichte in den Elektroden reduzierba r ist und der Leistungsumsatz im Elektrodenbereich begrenzt bleibt.

An diesem vorgelagerten Bereich schließt sich der erfindungsgemäße spaltartige Lichtbogenkanal 7 an .

Das Wandmaterial für den Lichtbogenkanal 7 besteht oder beinhaltet hartgasabgebende Stoffe.

Die Kanalgeometrie zwischen den Elektroden 4; 5 besitzt bei der Darstellung nach Fig . 1 zwei Umlenkungen 10. Der Lichtbogenkanal kann auch über weitere Umlenkungen verfügen, einen spiralförmigen oder einen mäander- förmigen Verlauf besitzen.

Gemäß Fig . 1 wird beispielsweise eine einfache spiralförmige Kanalgeometrie mit einer Umdrehung gezeigt.

Der Lichtbogenkanal 7 weist beispielsweise eine Geometrie von < 1 mm Höhe und eine Breite oder Länge von < 10 mm auf.

Zumindest im Bereich der Hauptelektrode 4 besteht die Möglichkeit der Abströmung von heißen Gasen in zumindest einen Kanal 8 mit kleinem

Querschnitt und hoher Wärmekapazität und Wärmeableitung. Neben diesem Kanal 8 können auch im Bereich der Lichtbogenbrennkammer weitere Entlüftungen 9 vorgesehen sein. Diese können diskret aber auch aus porösen Materialien gefertigt werden .

Insbesondere im Bereich der Umlenkungen 10 ist ein abbrandfestes Material bevorzugt. Ergänzend können in diesen Abschnitten Wärmesenken vorgesehen sein .

Der Sandwichaufbau des Einsatzteiles gemäß Fig. 1 weist eine Stapelanordnung auf, die eine Stapelung senkrecht zur Längsachse umfasst.

Alternativ ist auch eine Stapelung bestehend aus Einzelscheiben oder

Einzelschichten parallel zur Längsachse des Überspannungsabieiters denkbar.

Gemäß der Prinzipdarstellung im Längsschnitt nach Fig . 2 wird von einem gekapselten Überspannungsabieiter auf Funkenstreckenbasis ausgegangen, bei welchem die Triggerung i über keinen separaten Ableitpfad verfügt. Vielmehr wird bei dieser Ausführungsform der Impulsstrom beim Ansprechen der

Triggerschaltung direkt zwischen der Trigger- und Hilfselektrode 3 und der Hauptelektrode 5 zum Fließen gebracht.

Damit die Ha uptfunkenstrecke zwischen den Hauptelektroden 4; 5 nicht auch bei kleinen energiearmen Strömen zündet, wird entweder die Distanz zwischen den Hauptelektroden erhöht bzw. der Hilfslichtbogen teilweise verdeckt gegenüber zumindest einer der Hauptelektroden, im gezeigten Beispiel der Hauptelektrode 5, zum Stehen gebracht.

Gemäß der Darstellung nach Fig. 2 entsteht der Hilfslichtbogen in einem separaten Raum 11, welcher mit der Lichtbogenbrennkammer zwischen den Hauptelektroden lediglich durch den gezeigten Kanal 12 verbunden ist.

Über die Abmessungen, insbesondere den Querschnitt des Kanals 12, ist steuerbar, ab welchem Strom bzw. welcher Energie eine hinreichende

Ionisierung zwischen den Hauptfunkenstrecken erfolgt.

Ein weiteres Kriterium zur Steuerung kann diesbezüglich auch der Abstand und der Querschnitt zwischen dem Kanal 12 zum Einlaufbereich des

Lichtbogenkanals 7 genutzt werden . Durch die in der Fig . 2 gezeigte zusätzliche Entlüftung 13 des Raumes 11 mit Hilfslichtbogen, ist zudem eine Beeinflussung desjenigen Anteiles von ionisiertem Gas möglich, welches in den Lichtbogenkanal 7 gelangt.

Zusätzlich kann eine geometrische Unterteilung des Raumes 11 mit

Hilfslichtbogen eingesetzt werden, um eine Aufteilung der ionisierten Gase in die Kanäle 12 zur Triggerung bzw. 13 zur ungenutzten Abführung zu unterstützen.

Wie bereits erläutert, wird gemäß der Fig. 1 der Lichtbogenkanal

sandwichartig aus abbrandfesten Stoffen und hartgasabgebenden Materialien gestaltet.

Gemäß Fig. 2 besteht der Kanal respektive das Einsatzteil aus einem

abbrandfesten Werkstoff 14 mit offener Porosität, Die Poren nehmen hierbei mindestens partiell einen hartgasabgebenden Stoff, zum Beispiel POM, auf.

Fig. 2 geht von einem spaltartigen Lichtbogenkanal 7 mit einer Dicke bzw. einer Höhe von 1 mm aus. Der beispielhaft spiralförmig gestaltete Kanal besitzt eine Länge von bis zu 10 mm.

Der Kanal 7 endet im Bereich der Elektrode 4 in einem Rücksprung 15, der Bestandteil einer Hohlelektrode sein kann.

Weiterhin sind auch bei dieser Ausführungsform Entlüftungs- oder

Abströmkanäle 8 vorhanden. Über die Länge und die Anzahl der

Entlüftungskanäle ist eine gute Kühlung der entstehenden Gase möglich.

Insbesondere bei einem metallischen Gehäuse kann die Kanalführung in das Gehäuse zum Zweck der besseren Abkühlung in das Gehäuse integriert werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, besteht die Möglichkeit, ein elektrisch leitendes bzw. halbleitendes Material 16 zwischen der Triggerelektrode 3 und der

Hauptelektrode 5 anzuordnen, um eine Funkenbildung erst bei höheren

Strömen zu bewirken. Kleine, energiearme Ströme führen dann nicht zu einer Aktivierung der Funkenstrecke, Das Element 16 kann teilweise in die Elektrode 5 hineinreichen oder in diese eingesetzt sein.

Beim Ansprechen der Triggerung 1 wird durch das Element 16 ein Stromfluss zwischen der Triggerelektrode 3 und der Hauptelektrode 5 ermöglicht. Erst bei höheren Strömen kommt es dann zu einer Gleitentladung und letztendlich zur Funkenbildung über das Element 16. Hierdurch entstehen freie Ladungsträger im Raum 11, welche durch die Öffnung 12 bis zum Kanal 7 gelangen und der Zündung der Hauptentladungsstrecke dienen. Die Öffnung bzw. der Kanal 12 kann durch das Element 16 aber auch neben diesem Element geführt und entsprechend konstruktiv ausgelegt werden.