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Title:
SERIES SPARK GAP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/086248
Kind Code:
A1
Abstract:
The subject matter of the invention is a series spark gap comprising at least a first spark gap (FS1) comprising a first main electrode (FSA1) and a second main electrode (FSA2) and a second spark gap (FS2) comprising a first main electrode (FSA3) and a second main electrode (FSA4), wherein the second main electrode (FSA2) of the first spark gap (FS1) is connected in series with the first main electrode (FSA3) of the second spark gap (FS2), wherein each of the spark gaps (FS1, FS2) has an auxiliary striking electrode (H1, H2), wherein the auxiliary striking electrodes (H1, H2) are connected to one another via a circuit (ZK), wherein the first main electrode (FSA1) of the first spark gap (FS1) and the second main electrode (FSA4) of the second spark gap (FS2) are provided as connections (A1, A2) for the series spark gap.

Inventors:
MEYER, Thomas (Kreuzweg 27, Ottenstein, 31868, DE)
RAMSEL, Christian (Liboriusweg 12a, Hövelhof, 33161, DE)
Application Number:
EP2014/074440
Publication Date:
June 18, 2015
Filing Date:
November 13, 2014
Export Citation:
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Assignee:
PHOENIX CONTACT GMBH & CO.KG (Flachsmarktstr. 8, Blomberg, 32825, DE)
International Classes:
H01T2/02; H01T4/16; H02H9/06
Foreign References:
EP1870977A12007-12-26
US4860156A1989-08-22
CN101895108A2010-11-24
EP1566868B12009-12-09
Attorney, Agent or Firm:
SCHMELCHER, Thilo (3106, TPH III Eingang BKaisertraße 100, Herzogenrath, 52118, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Reihenfunkenstrecke mit zumindest einer ersten Funkenstrecke (FS1) mit einer ersten Hauptelektrode (FSA1) und einer zweiten Hauptelektrode (FSA2) und einer zweiten Funkenstrecke (FS2) mit einer ersten Hauptelektrode (FSA3) und einer zweiten Hauptelektrode (FSA4), wobei die zweite Hauptelektrode (FSA2) der ersten Funkenstrecke (FS1) mit der ersten Hauptelektrode (FSA3) der zweiten Funkenstrecke (FS2) in Reihe geschaltet ist, wobei jede der

Funkenstrecken (FS1, FS2) über eine Zündhilfselektrode (H1, H2) verfügt, wobei die Zündhilfselektroden (H1, H2) über einen Schaltkreis (ZK) miteinander verbunden sind, wobei die erste Hauptelektrode (FSA1) der ersten

Funkenstrecke (FS1) und die zweite Hauptelektrode (FSA4) der zweiten Funkenstrecke (FS2) als Anschlüsse (A1, A2) für die Reihenfunkenstrecke zur Verfügung stehen.

2. Reihenfunkenstrecke nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zündhilfselektroden (H1, H2) in elektrisch leitender Verbindung an der ersten Hauptelektrode (FSA1) der ersten Funkenstrecke (FS1) bzw. in elektrisch leitender Verbindung an der zweiten Hauptelektrode (FSA4) der zweiten Funkenstrecke (FS2) angeordnet ist.

3. Reihenfunkenstrecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (ZK) einen Gasabieiter (GDT1) aufweist.

4. Reihenfunkenstrecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (ZK) einen Varistor (VAR1) aufweist.

5. Reihenfunkenstrecke nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Funkenstrecke (FS1) und die zweite

Funkenstrecke (FS2) im Wesentlichen baugleich sind.

Description:
Reihenfunkenstrecke

Die Erfindung betrifft eine Reihenfunkenstrecke.

Hintergrund der Erfindung In zahlreichen Anwendungen elektrischer Einrichtungen stellen Impulse, insbesondere hochenergetische Impulse, wie sie bei Blitzen auftreten, eine ernst zu nehmende Gefährdung dar.

Um diesen Gefahren zu begegnen, werden in zunehmender Zahl Überspannungsschutzgeräte verwendet. Insbesondere für hochenergetische Impulse hat sich die Ableitung mittels Funkenstrecken bewährt. Zwar sind prinzipiell auch Varistoren verwendbar, es hat sich jedoch gezeigt, dass Funkenstrecken gegenüber einer Varistor basierten Lösung eine bessere Absenkung der Restspannung nach dem Zünden der Funkenstrecken auf einen wünschenswert niedrigen Pegel bereitstellen.

Sobald eine Funkenstrecke gezündet hat, wird eine leitfähige Verbindung über die Lichtbogenstrecke hergestellt und der Impuls hierüber abgeleitet. Zur Zündung stehen verschiedene Mechanismen zur Verfügung. Beispielsweise kann durch einen gezielten Einsatz eines Hochspanungsimpulses ein Durchschlag zwischen den Elektroden einer Funkenstrecke herbeigeführt werden. Allerdings ist die Bereitstellung eines solchen gezielten Hochspannungsimpulses nur mit aufwändiger Beschaltung möglich.

Eine kostengünstigere Alternative ist mittels Hilfselektroden möglich, wie sie beispielsweise in der EP 1 566 868 B1 der Anmelderin offenbart ist. Eine beispielhafte Funkenstrecke FS 1 ist in Figur 1 dargestellt. Dabei kommt eine widerstandsbehaftete (resistive) leitfähige Verbindung zwischen einer der Hauptelektroden FSA 2 einer Funkenstrecke und einer Hilfselektrode H 1 zum Einsatz. Diese widerstandsbehaftete (resistive) leitfähige Verbindung hat jedoch nur ein vergleichsweise geringes Stromtragevermögen. Überschreitet der Strom das Stromtragevermögen entsteht ein Lichtbogenplasma und in der Folge der hieraus resultierenden Ionisierung wird die Hauptzündstrecke zwischen den Hauptelektroden FSA 1 und FSA 2 schneller leitfähig. Insbesondere an leistungsstarken (Gleichspannungs- als auch Wechselspannungs-) Netzen muss eine der zu schaltenden Leistung entsprechende Folgestromlöschfähigkeit bereitgestellt werden. Um diese Folgestromlöschfähigkeit in Systemen mit hohen Nennspannungen, d.h. Spannungen über 230 bzw. über 400 V bereitzustellen, werden aus Kostengründen üblicherweise Reihenschaltungen eingesetzt. Die Spannung über der Reihenschaltung aus Funkenstrecken teilt sich somit auf zwei oder mehr Funkenstrecken auf. In Figur 2 ist eine beispielhafte Anordnung von Funkenstrecken FS 1 und FS 2 gezeigt. Beide Funkenstrecken verfügen über einen eigenen Zündkreis, der hier beispielhaft bei der Funkenstrecke FSi mittels eines gasgefüllten Überspannungsabieiters GDT 1 und eines Varistors VAR 1 gebildet ist, und der hier beispielhaft bei der Funkenstrecke FS 2 ebenfalls mittels eines gasgefüllten Überspannungsabieiters GDT 2 und eines Varistors VAR 2 gebildet ist.

Bei den bekannten Varianten von Reihenschaltung von Funkenstrecken kann bedingt durch die unabhängigen Zündkreise nicht sichergestellt werden, dass beide Funkenstrecken gleichzeitig zünden. Dies ist beispielsweis in Figur 3 am Beispiel der Reihenschaltung der Figur 2 gezeigt. Dort steigt die durch den beispielhaften Impuls hervorgerufenen Spannung an der Reihenfunkenstrecke zunächst stark an und es kommt nach wenigen μs zu einem Zünden der einen Funkenstrecke (etwa nach 5 μs), woraufhin die Spannung, die zunächst auch stark ansteigt einen ersten Einbruch zeigt. Dennoch ist die Spannung immer noch sehr hoch. Erst nach ungefähr weiteren 5 μs kommt es zum Zünden der weiteren Funkenstrecke und damit zu einem stärkeren Absinken des Stroms. Figur 3 zeigt also deutlich, dass die Funkenstrecken zeitlich versetzt leitfähig werden. Die Spannungskurve fällt stufenweise auf das Niveau der jeweiligen Funkenstreckenbrennspannung ab. Das Restspannungsniveau liegt aufgrund der in Reihe geschalteten Zündkreise sehr hoch. D.h. durch eine serielle Zündung der Funkenstrecken bleibt die Restspannung länger auf einem hohen Pegel, was unerwünscht ist. Darüber hinaus wird bei einer verzögerten Zündung eines weiteren Zündkreises dieser länger und somit stärker belastet. Somit muss der Zündkreis für eine höhere Belastung ausgelegt werden, um eine zeitverzögerte Zündung bereitzustellen, was wiederum zu höheren Kosten führt. Wird der Zündkreis nicht entsprechend für eine höhere Belastung ausgelegt, droht wiederum Gefahr. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Anordnung zur Verfügung zu stellen, die zum einen kostengünstig und zum anderen eine schnelle und sichere Absenkung der Restspannung zur Verfügung stellt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Funkenstrecke mit Hilfselektrode zum Einsatz in Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung von zwei

Funkenstrecken mit Hilfselektrode gemäß Stand der Technik Fig. 3 ein Diagramm, das den Zusammenhang von Strom und Spannung bei der Reihenschaltung aus Figur 2 aufzeigt,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung von zwei

Funkenstrecken mit Hilfselektrode gemäß Ausführungsformen der

Erfindung, und

Fig. 5 ein Diagramm, das den Zusammenhang von Strom und Spannung bei der Reihenschaltung aus Figur 4 aufzeigt.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung von zwei Funkenstrecken mit Hilfselektrode gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Die Reihenfunkenstrecke weist zumindest eine erste Funkenstrecke FS 1 mit einer ersten Hauptelektrode FSA 1 und einer zweiten Hauptelektrode FSA 2 auf. Weiterhin weist die Reihenfunkenstrecke zumindest eine zweite Funkenstrecke FS 2 ebenfalls mit einer ersten Hauptelektrode FSA 3 und einer zweiten Hauptelektrode FSA 4 auf. Ohne weiteres können auch noch weitere Funkenstrecken in der Reihenschaltung vorgesehen sein.

Die zweite Hauptelektrode FSA 2 der ersten Funkenstrecke FS 1 ist mit der ersten Hauptelektrode FSA 3 der zweiten Funkenstrecke FS 2 in Reihe geschaltet. Jede der Funkenstrecken FS 1 , FS 2 verfügt über zumindest eine Zündhilfselektrode H 1 , H 2 . Die Zündhilfselektroden H 1 , H 2 sind über einen Schaltkreis ZK miteinander verbunden, wobei die erste Hauptelektrode FSA 1 der ersten Funkenstrecke FS 1 und die zweite Hauptelektrode FSA 4 der zweiten Funkenstrecke FS 2 als Anschlüsse A 1 , A 2 für die Reihenfunkenstrecke zur Verfügung stehen.

D.h. die in Reihe geschalteten Funkenstrecken FS 1 , FS 2 werden mit einer gemeinsamen Zündkreisbeschaltung ZK versehen. Durch die Anordnung wird sichergestellt, dass die Funkenstrecken zeitgleich schalten.

Dies ist beispielsweise in Figur 5 am Beispiel der Reihenschaltung der Figur 4 gezeigt. Dort steigt die durch den beispielhaften Impuls hervorgerufene Spannung über der Reihenfunkenstrecke zunächst weniger stark an als in der Figur 3 und es kommt nach wenigen μs zu einem Zünden der beiden Funkenstrecken (etwa nach 5 μs), woraufhin die Spannung einen Einbruch zeigt. Bereits nach diesem Einbruch ist die Spannung in etwa so weit abgesunken, wie sie im Beispiel der Figur 3 erst nach 10 μs wäre. Figur 5 zeigt also deutlich, dass die Funkenstrecken im Wesentlichen zeitlich gleichzeitig leitfähig werden. Die Spannungskurve fällt unmittelbar auf das Niveau der jeweiligen Funkenstreckenbrennspannung ab. Das Restspannungsniveau kann dabei auch niedriger als in der Reihenschaltung der Figur 3 bei gleichen Funkenstrecken liegen. Dies ist jedoch abhängig von der Bemessung der Bauteile der Zündkreisbeschaltung ZK.

D.h. mittels der vorgestellten Reihenschaltung wird eine verbesserte Anordnung zur Verfügung gestellt, die zum einen kostengünstig und zum anderen eine schnelle und sichere Absenkung der Restspannung zur Verfügung stellt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden für die Erfindung Funkenstrecken mit Hilfselektroden, wie in EP 1 566 868 B1 der Anmelderin offenbart, eingesetzt, d.h. die Zündhilfselektroden H 1 , H 2 sind in elektrisch leitender Verbindung an der ersten Hauptelektrode FSAi der ersten Funkenstrecke FS 1 bzw. in elektrisch leitender Verbindung an der zweiten Hauptelektrode FSA 4 der zweiten Funkenstrecke FS 2 angeordnet. Dabei kommt eine widerstandsbehaftete (resistive) leitfähige Verbindung zwischen der Hauptelektroden FSA 1 einer ersten Funkenstrecke und einer ersten Hilfselektrode Hi bzw. zwischen der Hauptelektroden FSA 4 einer zweiten Funkenstrecke und einer zweiten Hilfselektrode H 2 zum Einsatz. Diese widerstandsbehafteten (resistiven) leitfähigen Verbindungen haben jedoch nur ein vergleichsweise geringes Stromtragevermögen. Überschreitet der Strom das Stromtragevermögen entsteht ein Lichtbogenplasma und in der Folge der hieraus resultierenden Ionisierung wird die Hauptzündstrecke zwischen den Hauptelektroden FSA 1 und FSA 2 bzw. FSA 3 und FSA 4 schneller leitfähig.

Natürlich können auch andere Funkenstrecken mit anderen Hilfselektroden alternativ eingesetzt werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Schaltkreis ZK einen Gasabieiter GDT 1 auf. D.h. auch hier kann das vorteilhafte Schaltverhalten von Gasableitern für den Zündkreis sinnvoll verwendet werden. Der Gasabieiter GDT 1 stellt die Isolation im Normalzustand her. Die Zündspannung des Gasabieiters GDT 1 liegt in einer vorteilhaften Ausgestaltung unterhalb der Zündspannung der Funkenstrecken, d.h. der Gasabieiter GDT 1 zündet sinnvollerweise vor der Hauptfunkenstrecke.

In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Schaltkreis ZK einen Varistor VAR 1 aufweist. D.h. auch hier kann das vorteilhafte Schaltverhalten von

Varistoren für den Zündkreis sinnvoll verwendet werden. Natürlich kann der Schaltkreis ZK auch weitere Bauteile aufweisen, es hat sich jedoch gezeigt, dass das Schaltverhalten besonders günstig ist, wenn der Schaltkreis ZK sowohl einen Varistor VAR 1 als auch eine Gasabieiter GDT 1 aufweist.

Bei einem Ableitereignis zündet zunächst der Gasabieiter GDT 1 im Schaltkreis ZK. Der sich einstellende Strom fließt über beide Hilfselektroden H 1 und H 2 . Erst wenn die Ionisation beider Funkenstrecken FS 1 und FS 2 im Wesentlichen abgeschlossen ist kommutiert der Strom auf die Funkenstrecke FSA 1 und FSA 2 bzw. FSA 3 und FSA 4 als Hauptableitpfad. Die Belastung (Stromintegral) des Schaltkreis ZK entspricht dem einer Einzelfunkenstrecke gleichen Bautyps, d.h. es muss nur eine geringere Belastung berücksichtigt werden, da es nicht zu einem verspäteten Zünden kommt.

In der vorgestellten Schaltungsvariante sind die beiden Funkenstrecken FS 1 und FS 2 über eine „isolierte" Elektrode verbunden. D.h. die Verbindung der beiden Funkenstrecken zwischen FSA 2 und FSA 3 ist Potenzial ungebunden. Hierdurch wird das gemeinsame Zünden sichergestellt. D.h. bei einem Ableitereignis zündet zunächst der Gasabieiter GDT 1 im Schaltkreis ZK. Der sich einstellende Strom fließt über beide Hilfselektroden H 1 und H 2 . Erst wenn die Ionisation beider Funkenstrecken FS 1 und FS 2 im Wesentlichen abgeschlossen ist, kommutiert der Strom auf die Funkenstrecke FSA 1 und FSA 2 bzw. FSA 3 und FSA 4 als Hauptableitpfad.

In einer besonders kostengünstigen Variante sind die für die Reihenfunkenstrecke verwendeten einzelnen Funkenstrecken FS 1 und FS 2 im Wesentlichen baugleich.

Mittels der vorgestellten Erfindung ist es somit möglich eine Zündverzugszeit kleiner oder gleich der Zündverzugszeit einer einzelnen Funkenstrecke zu erzielen. Die Restspannung wird dabei frühzeitig stark minimiert, d.h. stärker als bei einer normalen Reihenschaltung von Funkenstrecken.

Ohne weiteres kann die Reihenschaltung auch in einem gemeinsamen Gehäuse G, wie in Figur 4 dargestellt, lediglich mit den notwendigen Anschlüssen A 1 und A 2 bereitgestellt werden.

Bezugszeichenliste

Funkenstrecke FS 1 , FS 2

Hauptelektrode FSA 1 , FSA 2 , FSA 3 , FSA 4

Zündhilfselektrode H 1 , H 2

Schaltkreis ZK

Anschlüsse A 1, A 2

Gasableiter GDT 1, GDT 2

Varistor VAR 1, VAR 2

Gehäuse G