Funkenstrecke

Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit Alterungsdetektor und ein Verfahren zur Messung der Alterung einer Funkenstrecke. Hintergrund

Überspannungsabieiter werden zum Schutz von elektrischen Anlagen eingebaut und sollen Überspannungsereignisse an der Anlage vorbei ableiten, um so die Anlage vor dem Überspannungsereignis zu schützen. Dabei ist der Begriff des Überspannungsereignisses sehr weit gefasst und kann beispielsweise Blitzereignisse als auch Überspannungsspitzen durch Einschaltvorgänge von elektrischen Geräten oder dergleichen betreffen. Als Überspannungsabieiter werden z.B. Funkenstrecken, Varistoren oder Supressordioden verwendet. Überspannungsabieiter, insbesondere Funkenstrecken und Varistoren, unterliegen im

Laufe ihres Einsatzes einer fortschreitenden Degradation. Dabei verändern sich die Nennparameter des Überspannungsabieiters. Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist der Überspannungsabieiter so weit degradiert, dass der Überspannungsabieiter seinen Zweck nicht mehr erfüllen kann. Dieses Versagen kann sowohl während eines Überspannungsereignisses als auch im laufenden Netzbetrieb auftreten und ist gefährlich für die Sicherheit der eigentlich durch den Überspannungsabieiter zu schützenden Anlage.

Bei Funkenstrecken entsteht im Falle eines Überspannungsereignisses ein Lichtbogen zwischen zumindest zwei Elektroden. Dieser Lichtbogen führt zum einem zu einem

Abtrag der Elektroden als auch zu einer Beschädigung der den Lichtbogenraum umgebenden Isolation. Somit ändert sich die innere Geometrie der Anordnung mit jedem Überspannungsereignis. Da der Zustand der Elektroden als auch der Isolation in der Regel nicht unmittelbar ersichtlich ist, kann versucht werden durch Messung in Prüfzyklen den Zustand ansatzweise zu ermitteln. Hierzu müssen die entsprechenden Funkenstrecken aus den jeweiligen Anlagen entfernt werden, was zeitaufwändig und kostenintensiv ist. Zudem führen auch die Prüfzyklen zu einer Degradation.

Bekannte Verfahren, um den Alterungsgrad im Einbauzustand abzuschätzen, basieren z.B. auf einem magnetfeldsensitiven Stoff, z.B. in Kartenform, welcher in unmittelbarer Umgebung eines elektrischen Leiters installiert wird. Dabei ist anzumerken, dass die Stromstärken eines Blitzstromereignisses weit über den Betriebsströmen liegen und somit entsprechend höhere magnetische Felder erzeugen. Diese höheren magnetischen Felder magnetisieren den magnetfeldsensitiven Stoff dauerhaft. Dabei ist die gespeicherte Magnetisierung ein Maß für den höchsten geflossenen Stoßstrom. Dieser höchste geflossene Stoßstrom kann anschließend mittels eines Lesegerätes ausgewertet werden.

Das Verfahren auf Basis der Speicherung der maximalen magnetischen Feldstärke in der Umgebung eines Leiters mittels magnetfeldsensitivem Stoff hat verschiedene Nachteile. Zum einen wird nur das effektiv räumlich vorhandene Feld erfasst, das durch weitere überlagerte Felder stark verändert, geschwächt oder verstärkt sein kann. Zum anderen ist nur die jeweils maximal aufgetretene Magnetisierung erkennbar. D.h. eine Anzahl von kleineren Impulsen vor oder nach dem maximalen Ereignis ist nicht erkennbar, obwohl diese schon einen wesentlichen Beitrag zur Degradation beigetragen haben können. In der Folge bleibt die tatsächliche Auswirkung auf den Überspannungsabieiter unbekannt. Andere Verfahren zählen die Anzahl von Überspannungsereignissen, z.B. ab einer relevanten Größe, mittels eines irreversiblen Zählers und werden anschließend angezeigt.

Dieses Verfahren lässt zwar einen begrenzten Rückschluss auf die tatsächlich abgeleitete Ladungsmenge zu, jedoch ist die tatsächliche Auswirkung auf den

Überspannungsabieiter nicht bekannt.

Noch andere Verfahren erlauben einen Rückschluss der Alterung durch Wärme- Einwirkung auf einen intumeszenten Stoff.

Allen diesen Verfahren ist gemein, dass sie die Auswirkungen nur sehr indirekt erfassen können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die auf einfache und preiswerte Weise einen präziseren Rückschluss auf den Zustand eines Überspannungsabieiters zulässt.

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 anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematisierte Anordnung einer Funkenstrecke,

Fig. 2a eine schematisierte Anordnung einer erfindungsgemäßen Funkenstrecke gemäß einer ersten Ausführungsform in einem ersten Zustand,

Fig. 2b eine schematisierte Anordnung der erfindungsgemäßen Funkenstrecke gemäß einer ersten Ausführungsform in einem zweiten Zustand,

Fig. 3a eine schematisierte Anordnung einer erfindungsgemäßen Funkenstrecke gemäß einer zweiten Ausführungsform in einem ersten Zustand,

Fig. 3b eine schematisierte Anordnung der erfindungsgemäßen Funkenstrecke gemäß einer zweiten Ausführungsform in einem zweiten Zustand, Fig. 4a eine schematisierte Anordnung einer erfindungsgemäßen Funkenstrecke gemäß einer dritten Ausführungsform in einem ersten Zustand, und Fig. 4b eine schematisierte Anordnung der erfindungsgemäßen Funkenstrecke gemäß einer dritten Ausführungsform in einem zweiten Zustand.

Die Figur 1 zeigt eine schematisierte Anordnung einer Funkenstrecke FS. Diese weist in ihrer allgemeinsten Form zumindest eine erste Entladungselektrode E1 und eine hierzu beabstandete zweite Entladungselektrode E2 auf. Ohne Beschränkung der Wirkungsweise der Erfindung können auch Funkenstrecken mit mehreren Elektroden bzw. Hilfselektroden zur Verwendung kommen. Für das Verständnis der Erfindung sind diese jedoch nicht nötig und werden daher im Folgenden nicht weiter erwähnt.

Zwischen der ersten Entladungselektrode E1 und der zweiten Entladungselektrode E2 bildet sich bei Erreichen einer bestimmten Spannung, der sogenannten Bruchspannung Ubmch , eine Lichtbogenentladung aus. Diese Lichtbogenentladung bildet dabei eine Entladungsstrecke ES zwischen der ersten Entladungselektrode E1 und der zweiten Entladungselektrode E2. Zum Schutz der Umgebung ist die Entladungsstrecke zumindest abschnittsweise von einem elektrisch isolierendem Stoff ISO umgeben. Hierdurch bildet sich ein Lichtbogenraum. Dieser isolierende Stoff kann zudem so ausgestaltet sein, dass er das Kühlen oder Löschen einer Lichtbogenentladung unterstützt, z.B. dadurch, dass der elektrisch isolierende Stoff zu einer Begasung führt. Ein beispielhafter Werkstoff, der diese Eigenschaft zur Verfügung stellt, ist das hartgasblasende Polyoxymethylen (POM). D.h. neben einer ungewünschten Degradation kann auch eine in Kauf genommene und daher eher gewünschte Degradation vorgesehen sein. Bei der technischen Auslegung der Isolierteile ist die Degradation derart zu berücksichtigen, dass die Funktion der Funkenstrecke FS bis zu ihrem Lebensdauerende ausreichend gewährleistet ist. In der Vergangenheit führte dies dazu, dass auf Grund fehlender Kenntnisse über den Zustand im Inneren der Funkenstrecke FS, die isolierenden Stoffe ISO eher großzügig dimensioniert werden mussten.

Wie bereits zuvor beschrieben, unterliegen sowohl die Elektroden als auch die den Lichtbogenraum umgebenden Isolation unter Lichtbogeneinfluss einer Degradation.

Um diese Degradation der Funkenstrecke nun erkennen zu können, weisen die erfindungsgemäßen Funkenstrecken einen Alterungsdetektor auf.

Hierzu weisen beispielhafte Ausführungsformen gemäß der Figuren 2a, 2b, 3a, 3b, 4a und 4b einen Alterungsdetektor auf. Dieser Alterungsdetektor wird dadurch bereitgestellt, dass der elektrisch isolierende Stoff ISO an zumindest einer Stelle einen elektrisch leitfähigen Abschnitt A1 (Fig. 2a und 2b, Fig. 3a und 3b) bzw. die Abschnitte A1 und A2 (Fig. 4a und 4b) aufweist. Der elektrisch leitfähige Abschnitt A1 bzw. die elektrisch leitfähigen Abschnitte A1 und A2 werden durch Einwirkung von Lichtbogenentladungen - in den Figuren beispielhaft durch einen liegenden Blitz zwischen den Entladungselektroden E1 und E2 dargestellt - beschädigt. Ein derartiger Vorgang ist beispielhaft in den Figuren gezeigt, wobei die Figuren 2a, 3a, 4a jeweils eine erfindungsgemäße Funkenstrecke in einem funktionsfähigen Zustand zeigen, während die Figuren 2b, 3b und 4b die Funkenstrecke in einem degradierten Zustand zeigen, der eine weitere Verwendung nicht sinnvoll erscheinen lässt. Wie ein einfacher Vergleich zeigt, ist im degradierten Zustand der elektrisch isolierende Stoff ISO im Bereich der Entladungsstrecke ES zumindest abschnittsweise abgetragen. Nun kann aber durch Messungen am elektrisch leitfähigen Abschnitt A1 bzw. an den elektrisch leitfähigen Abschnitten A1 und A2 die Alterung der Funkenstrecke bestimmt werden.

Hierzu können unterschiedliche Messprinzipien verwendet werden, die nachfolgend an Hand der Figuren exemplarische beschrieben werden sollen.

In Figur 2a ist ein elektrischer Leiter als elektrisch leitfähiger Abschnitt A1 in den elektrisch isolierenden Stoff ISO eingelegt. Durch Degradation wird der elektrisch isolierende Stoff ISO abgetragen. Ist der Abtrag soweit, dass der eingelegte Draht A1 mit beschädigt wird, kann durch eine einfache Widerstandsmessung bzw. eines Durchgangstests die Alterung ermittelt werden. Das entsprechende Messgerät kann zum einen dauerhaft vorgesehen sein, sodass zu beliebigen Zeitpunkten, unter Umständen sogar aus der Ferne, der Alterungszustand ermittelt werden kann, oder aber das entsprechende Messgerät wird nur bei Bedarf an den elektrisch leitfähigen Abschnitt A1 angeschlossen.

Ohne weiteres können natürlich auch mehrere Abschnitte mit eingelegten Drähten A1 versehen sein, um an unterschiedlichen Orten den Abtrag bestimmen zu können. Diese können z.B. in Serie geschaltet sein, um so eine gemeinsame Aussage über den Alterungszustand zu liefern oder aber einzelne oder alle Abschnitte A1 können exklusiv ausgewertet werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass mehrere Abschnitte in unterschiedlichen Entfernungen von der Entladungsstrecke innerhalb des elektrisch isolierenden Stoffes ISO angeordnet sind, um so den Fortgang der Degradation besser bestimmen zu können. Werden z.B. zwei Drähte verwendet, kann z.B. die Unterbrechung des näher zur Funkenstrecke liegenden elektrisch leitfähigen Abschnitts die Notwendigkeit einer baldigen Auswechselung signalisieren, während die Unterbrechung des entfernter zur

Funkenstrecke liegenden elektrischen Abschnitts die Notwendigkeit einer unmittelbaren Auswechslung signalisieren kann. Dabei kann die Auswertung darauf basieren, dass z.B. der Durchgang durch die einzelnen Drähte getrennt gemessen wird oder aber der Widerstand bzw. der Stromfluss durch die beiden elektrisch leitfähigen Abschnitte parallel ermittelt wird. In diesem Fall würde bei gleichartigen parallel geschalteten Drähten die Durchtrennung eines Drahtes zu einer Halbierung des Stromes bzw. zu einer Verdoppelung des Widerstandes führen. In einer anderen Ausführungsform basierend auf demselben Messprinzip kann der elektrisch leitfähige Abschnitt A1 z.B. aus einem eher voluminösen Materialabschnitt, wie in Figur 3a und 3b als schwarzes Rechteck gezeigt, gebildet sein.

Hierbei bietet es sich an den Alterungsprozess als eine Widerstandsmessung auszuführen, da mit zunehmendem Abtrag der Widerstand des Abschnittes A1 ansteigt. D.h. im Unterschied zur Ausführungsform der Figur 2a und 2b kann die Alterung noch präziser bestimmt werden. Natürlich kann auch eine einfache Durchgangsmessung realisiert sein, falls die hierdurch ermöglichte Aussage ausreichend ist.

Die Änderung des Widerstandes kann auf verschiedene Arten detektiert werden, so dass eine direkte Aussage über den inneren Zustand des isolierenden Stoffes ISO in der Funkenstrecke FS getroffen werden kann. Die Auswertung kann beispielsweise mittels Widerstands- Strom- oder Spannungsmessung erfolgen. Dabei kann die Messung isoliert von den Entladungselektroden E1 , E2 der Funkenstrecke FS erfolgen. Alternativ können aber auch die Entladungselektroden E1 , E2 der Funkenstrecke FS kontaktiert sein und zur äußeren Auswertung wie zuvor beschrieben verwendet werden. Dieser Materialabschnitt kann zudem, wie in den Figuren 3a und 3b gezeigt, unmittelbar an der Oberfläche des elektrisch isolierenden Stoffes ISO angeordnet sein, oder aber ähnlich wie in Figur 2a und 2b kann der entsprechende Abschnitt A1 auch in den elektrisch isolierenden Stoff ISO eingebettet sein. Beispielsweise kann der elektrisch leitfähige Abschnitt A1 , wie zuvor beschrieben, ein elektrisch leitfähiges Polymer oder eine elektrisch leitfähige Keramik aufweisen. Beispielhafte elektrisch leitfähige Polymere sind z.B. Poly-3,4-Ethylendioxythiophen, Polyacetylen, Polyanilin, Polyparaphenylen, Polypyrrol, Polythiophen, oder Mischungen oder Co-Polymere derselben.

Ohne weiteres können natürlich auch mehrere Abschnitte A1 im elektrisch isolierenden Stoff ISO vorgesehen sein, um an unterschiedlichen Orten den Abtrag bestimmen zu können. Diese können z.B. in Serie geschaltet sein, um so eine gemeinsame Aussage über den Alterungszustand zu liefern oder aber einzelne oder alle Abschnitte A1 können exklusiv ausgewertet werden. Eine Einbettung und Ausformung des elektrisch leitfähigen Bereichs A1 im Angriffsbereich des Plasmas des Lichtbogens kann dabei so dimensioniert werden, dass eine optimale Anzeige möglich ist und der notwendige Austausch der Funkenstrecke FS rechtzeitig detektiert wird.

Die Einbettung des elektrisch leitfähigen Bereichs A1 in den isolierenden Stoff ISO wird beispielsweise durch ein Zwei-Komponenten-Spritzgußverfahren ermöglicht. Hierdurch kann man auf einfache und kostengünstige Weise einen formstabilen Gehäusekörper der Funkenstrecke FS erhalten, bei dem der elektrisch leitfähige Bereich A1 optimal angeordnet werden kann. Diese Herstellungsweise ist besonders vorteilhaft, da keine weiteren Maßnahmen zur nachträglichen Fertigung und Fixierung benötigt werden.

In einem geeigneten Detektionsverfahren kann dann mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem ersten Schritt der Durchfluss über den elektrisch leitfähigen Abschnitt A1 gemessen werden. Im einfachsten Fall reicht ein Durchfluss bzw. ein Nichtdurchfluss als Alterungsanzeige aus.

In einem weitergehenden Detektionsverfahren, dass eine präzisere Aussage über die tatsächliche Alterung ermöglicht, wird nicht nur der Durchfluss, sondern der Widerstand des Durchflusses gemessen und der hieraus ermittelte Wert mit einem vorbestimmten

Referenzwert verglichen. Je höher der Widerstand des elektrisch leitfähigen Abschnittes A1 wird, desto stärker ist die Degradation.

In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, dargestellt in Figur 4a und 4b, werden mindestens zwei elektrisch leitfähige Abschnitte A1 , A2 vorgesehen. Dabei sind die mindestens zwei elektrisch leitfähigen Abschnitte A1 , A2 elektrisch voneinander isoliert angeordnet.

Der erste Abschnitt A1 der zumindest zwei elektrisch leitfähigen Abschnitte A1 , A2 und der zweite Abschnitt der zumindest zwei elektrisch leitfähigen Abschnitte A1 , A2 sind dabei so angeordnet, dass die Entladungsstrecke ES sich im Wesentlichen zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Abschnitten A1 , A2 befindet.

Dabei macht sich die Erfindung zu Nutze, dass die elektrisch isolierenden Stoffe ISO eine relative elektrische Permeabilität ε _Γ aufweisen, die von 1 verschieden ist. Werden die elektrisch leitfähigen Abschnitte A1 und A2 als Platten eines Kondensators und der elektrisch isolierende Stoff ISO und der entsprechende Teil der Entladungsstrecke ES als Dielektrikum des Kondensators verstanden, so führt eine Degradation des elektrisch isolierenden Stoffs ISO zu einer Änderung der Kapazität, die entsprechend ausgewertet werden kann. D.h. die Abnahme der Kapazität ist nun ein Maß für die Alterung. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Abtrag der elektrisch leitfähigen Abschnitte A1 und A2 zu einer Änderung der Kapazität führen, da nun die zur Speicherung von Ladung zur Verfügung stehende Fläche verringert wird.

Eine Messung der Kapazität kann dabei direkt oder indirekt, z.B. über die Verstimmung eines Schwingkreises, bestimmt werden.

In einem beispielhaften geeigneten Verfahren kann z.B. mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem ersten Schritt die Kapazität zwischen den zwei elektrisch leitfähigen Abschnitten A1 und A2 gemessen werden. In einem weiteren Schritt kann dann wiederum die gemessene Kapazität mit einem vorbestimmten Referenzwert verglichen werden, um die Alterung zu bestimmen. Je geringer die Kapazität ist, desto stärker ist die Degradation.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungsform sind die elektrisch leitfähigen Abschnitte A1 , A2 auf der von der Entladungstrecke ES abgewandten Seite des elektrisch isolierenden Stoffes ISO angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, da auch bereits vorhandene Funkenstrecken ohne weiteres nachgerüstet werden können. Zudem ist die Anbringung auf der Au ßenseite in Bezug auf weitergehende Schutzmaßahmen vorteilhaft, da nun nicht die unmittelbare Gefahr eines Kontaktes zu einer der Entladungselektroden E1 bzw. E2 besteht.

Dabei ist anzumerken, dass die isolierenden Stoffe ISO in der Funkenstrecke FS in aller Regel dem höchsten Verschleiß unterliegen. Daher bietet es sich an den Abtrag des isolierenden Stoffes als Alterungsgröße heranzuziehen.

Ohne weiteres können die zuvor vorgestellten Messprinzipien auch miteinander kombiniert sein. So ist es z.B. möglich durch geeignete Beschaltung sowohl eine Widerstandsmessung von zwei Abschnitten getrennt oder als Reihenschaltung oder als Parallelschaltung durchzuführen und zeitlich hiervon getrennt und mit anderer Messbeschaltung auch eine Kapazitätsmessung durchzuführen. Mit der vorgestellten Erfindung ist es nun möglich den Alterungsprozess der Funkenstrecke FS von innen heraus einfach und kostengünstig bestimmen zu können. Dabei erlaubt die vorgestellte Erfindung auch die Realsierung besonders kleiner Baugrößen, da die vorgestellte Erfindung in den herkömmlichen Herstellungsprozess von Funkenstrecken integriert werden kann.

Bezugszeichenliste

Funkenstrecke FS

Entladungsstrecke ES erste Entladungselektrode E1 zweite Entladungselektrode E2 elektrisch isolierender Stoff ISO elektrisch leitfähiger Abschnitt A1 , A2