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Dokumentenidentifikation DE10245144C5 31.10.2007
Titel Überspannungs-Schutzanordnung mit einer Funkenstrecke als Grobschutzelement
Anmelder Dehn + Söhne GmbH + Co. KG, 92318 Neumarkt, DE
Erfinder Ehrhardt, Arnd, Dr.-Ing., 92318 Neumarkt, DE;
Brocke, Ralph, Dr.-Ing., 98693 Ilmenau, DE;
Zahlmann, Peter, Dr.-Ing., 92318 Neumarkt, DE;
Strangfeld, Uwe, Dipl.-Ing. (FH), 90478 Nürnberg, DE
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Anmeldedatum 27.09.2002
DE-Aktenzeichen 10245144
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.01.2004
Date of publication of amended patent 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse H02H 9/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01T 4/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Überspannungs-Schutzanordnung mit einer Funkenstrecke als Grobschutzelement, wobei die Funkenstrecke zwei Hauptelektroden und mindestens eine Hilfselektrode umfaßt und die Hilfselektrode mit einer als Feinschutz wirkenden Zündeinrichtung in Verbindung steht, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Der Schutzpegel für elektronische Geräte der unterschiedlichsten Art und anderen, gegenüber transienten Überspannungen sensiblen Anlagen hat sich in den zurückliegenden Jahren zu immer kleineren Ansprechwerten bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistungsfähigkeit verschoben.

Die damit verbundene drastische Reduzierung der Ansprechspannung bewirkt jedoch in unerwünschter Weise ein häufiges Aktivieren der Ableiter bereits bei energieschwachen Überspannungen, wodurch ein verstärkter Verschleiß der Ableiter entsteht.

Bei zum Einsatz kommenden triggerbaren Überspannungsableitern auf Funkenstreckenbasis zur optimierten Steuerung des Ansprechverhaltens wird davon ausgegangen, daß durch eine Vorentladung mittels Hilfselektrode Ladungsträger innerhalb des Überschlagwegs zwischen den Hauptelektroden eingebracht werden. Dieses Einbringen von Ladungsträgern bewirkt das Zünden einer Entladung zwischen den Hauptelektroden bei einer Spannung, welche deutlich unterhalb der Ansprechspannung der Funkenstrecke ohne Zündeinrichtung bzw. Vorentladung liegt.

Bei den bekannten Zündeinrichtungen der triggerbaren Art existiert eine Gruppe, die selbst keinerlei Möglichkeiten zur Spannungsbegrenzung besitzt und welche bei Erreichen eines bestimmten Spannungswerts die Zündung der Funkenstrecke erzwingt.

Derartige Anordnungen besitzen, insbesondere bei der Verwendung von Kapazitäten, den Vorteil einer sogenannten TOV(Temporary Overvoltage)-Festigkeit, da bei netzfrequenten Überspannungen nur Ausgleichsströme in vorhandene Kapazitäten fließen, jedoch kein lang andauernder, kontinuierlicher Stromfluß eintritt. Infolge der vergleichsweisen geringen Ausgleichsströme ist auch bei Impulsbeanspruchungen die Energie, welche zum Zünden der Vorentladung zur Verfügung steht, niedrig, wodurch sich die Gestaltungs- und Einsatzmöglichkeiten der Funkenstrecke in Grenzen halten.

Der Hauptnachteil der oben genannten Überspannungsableiter besteht jedoch vor allem darin, daß die Funkenstrecken selbst einem hohen Verschleiß unterliegen, da diese auch bei sehr energiearmen Impulsspannungen gezündet werden und dann auch einer Belastung durch mögliche Netzfolgeströme ausgesetzt sind.

Bei einer weiteren Gruppe von Zündeinrichtungen werden die Funkenstrecken vorteilhafterweise erst bei energiereichen Impulsspannungen gezündet, da bei kleineren Impulsen die Zündeinrichtung selbst als Überspannungs-Feinschutz wirkt.

Auch ist bei dieser Bauart der Nachteil der begrenzten Energie des Zündimpulses sowie die Beschränkung bei der Funkenstrecken-Gestaltung nicht gegeben. Allerdings tritt jedoch hier das Problem auf, daß diese Einrichtungen bei netzfrequenten Überspannungen, bei denen die Funkenstrecke funktionsbedingt nicht gezündet werden sollte, überlastet werden. Bei Überspannungen ist die Wahrscheinlichkeit der thermischen Überlastung der eingesetzten Bauelemente derartiger Zündeinrichtungen auch schon bei vergleichsweise geringen, aber andauernden, insbesondere netzfrequenten Strömen gegeben. Die Ursache hierfür ist die Auslegung und Optimierung der Überspannungsableiter auf Impulsbelastungen und nicht bezüglich lang andauernder netzfrequenter Belastungen.

Beim Einsatz von Varistoren als Überspannungs-Feinschutzelemente für derartige Zündeinrichtungen ergibt sich ein weiterer Nachteil.

Varistoren sind spannungsabhängige Widerstände, die bei einem bestimmten Spannungswert niederohmig werden und bei welchen mit zunehmender Stromstärke der Spannungsabfall nur geringfügig zunimmt. Ein Spannungsabfall bei Zündeinrichtungen wird also im wesentlichen durch die Varistoren selbst bestimmt. Bei modernen Varistoren vom MOV-Typ ist der Spannungsabfall bei sehr großen Impulsströmen im kA-Bereich nur zwei- bis dreimal so hoch wie die Varistorspannung bei 1 mA. Bei gebräuchlichen Suppressordioden ist dieses Verhältnis sogar noch kleiner.

Da auch bei energiereichen Impulsströmen sich der Spannungsabfall bei Varistoren aufgrund deren Charakteristik, nämlich u verhält sich proportional zu i, nur geringfügig gegenüber einer Belastung mit kleinen Impulsströmen erhöht, ist bei diesen Zündeinrichtungen weiterhin von Nachteil, daß die Verzögerungszeit bis zum Zünden der Hauptstrecke nahezu unabhängig von der Größe des Impulsstroms ist.

Die Höhe des Spannungsabfalls ist neben anderen Einflußgrößen jedoch auch mit entscheidend für das Zündverhalten der Funkenstrecke, da sie die Spannungsdifferenz zwischen den Hauptelektroden bestimmt. Durch die bei Varistoren beschriebenen geringen Spannungsunterschiede ist es sehr schwierig, die Funkenstrecke erst bei energiereichen Impulsströmen sicher zu zünden. Vielmehr besteht hier zum Schutz der Varistoren vor Überlastung die Notwendigkeit, die Funkenstrecken schon bei noch relativ geringen Impulsströmen zu zünden. Damit werden also auch derartige Zündeinrichtungen bezüglich der Funkenstrecken einem unnötigen Verschleiß ausgesetzt.

Die angegebenen Gruppen oder Arten von Zündeinrichtungen lassen sich bezüglich ihrer Ausführungsform noch in aktive oder passive Anordnungen unterscheiden. Bei Einrichtungen mit passiver Zündung erfolgt eine Vorentladung innerhalb der Funkenstrecke nur durch eine Spannungsverlagerung ohne Spannungserhöhung. Bei Zündeinrichtungen mit aktiver Zündung ist eine Spannungserhöhung, z.B. mit Hilfe eines Übertragers zur Zündung der Vorentladung gegeben.

Bei passiver Zündung wird die Spannung zu den Hilfselektroden üblicherweise mittels Impedanzen, z.B. Kapazitäten, ohmsche Widerstände oder Induktivitäten oder aber über einen Teiler aus Impedanzen der Hilfselektrode direkt bzw. über ein spannungsabhängiges Schaltgerät, z.B. einem Gasableiter oder Suppressordioden zugeführt. Wie die DE 199 52 004 A1 zeigt, ist auch eine Kombination von nichtlinearen Widerständen, z.B. Varistoren denkbar.

Die EP 0 933 860 A1 offenbart eine Zündeinrichtung zur aktiven Zündung, die vom Grundaufbau einen Spannungsteiler parallel zur Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptpotentialen besitzt. Am Teiler wird jeweils eine Spannung abgegriffen, und über ein spannungsabhängiges Schaltgerät einem Übertrager zugeführt, welcher nach dem Ansprechen des Schaltgeräts aus dem Entladungsimpuls eine Hochspannung generiert, die der Hilfselektrode zugeführt wird.

Eine solche Schaltung besitzt im Zusammenhang mit den üblichen Baugrößen der Ableiter nicht unerhebliche Nachteile. So bleibt die Dauer und die Höhe der Energiezufuhr durch die Zündentladung in die Funkenstrecke begrenzt. Die notwendige Dimensionierung der Bauelemente, insbesondere bei Verwendung von Kapazitäten, ist für einen wirksamen Überspannungs-Feinschutz technisch kaum realisierbar. In dem Falle, wenn der Schutzpegel des Ableiters gering zu halten ist, führt dies zwangsweise dazu, daß die Funkenstrecke bei kleinsten Impulsströmen gezündet werden muß, wodurch ein unerwünschter starker Verschleiß der Funkenstrecke bedingt ist.

Bei der Zündeinrichtung mit aktiver Zündung nach JP 1-26-8427 ist ein Varistor vorgesehen, welcher neben der Funktion des Überspannungs-Feinschutzes gleichzeitig die Funktion eines spannungsabhängigen Schalters übernimmt. Eine solche Lösung ist jedoch mit einem permanenten Leckstrom behaftet und erzeugt gegenüber Gasableitern aufgrund des sogenannten weichen Schattens geringere di/dt-Werte, welche wiederum geringere Zündspannungen erzeugen, wodurch die Gestaltungsmöglichkeiten der Funkenstrecke eingeschränkt sind.

Zum Stand der Technik sei noch auf die US-PS 4,760,486, die DE 19 47 349 A1 und die EP 0 186 939 A2 verwiesen, die sämtlich Zündeinrichtungen offenbaren, bei denen zwischen der Funkenstrecke und der Zündeinrichtung eine Längsentkopplung mittels Induktivitäten oder ähnlichen Bauelementen vorhanden ist.

Die JP 10023661 A zeigt eine Zündeinrichtung, bei der zur Längsentkopplung ein Kaltleiter benutzt wird. Die vorstehend genannten Zündeinrichtungen sind insbesondere bei großen Nennströmen der zu schützenden Verbraucher in ihrer Konstruktion sehr aufwendig und inakzeptabel.

Die dortige Zündeinrichtung übernimmt auch die Aufgabe des Überspannungs-Feinschutzes. Neben dem Nachteil der Längsentkopplung und der damit verbundenen relativ großen Baugröße besitzen die bekannten Anordnungen eine zu geringe Festigkeit gegenüber TOV-Belastung und insgesamt einen hohen Verschleiß der Funkenstrecke.

Aus der DE 199 14 313 A1 ist ein Überspannungsschutzsystem vorbekannt, wobei dort eine Überwachungseinrichtung für die Zündeinrichtung vorhanden ist, die bei thermischer Überlastung sich und die Zündeinrichtung durch Abschalten schützt. Als Überwachungsschaltung kann im Zündkreis eine reversible Temperatursicherung vorgesehen sein, konkret wird bei der dortigen Lehre ein Temperaturschalter eingesetzt.

Bei der Einrichtung zum Überspannungsschutz in elektrischen Niederspannungsnetzen nach G 93 14 632.9 ist eine Kombination von Grob- und Feinschutz vorbekannt, wobei eine Funkenstrecke als Grobschutzelement vorgesehen und ein Kaltleiter in Feinschutzzweig angeordnet ist.

Die Vorteile von keramischen Kaltleitern beim Einsatz als Kurz- und Überlastschutz werden in KAINZ G.: Keramische Kaltleiter (PTC) schützen Elektronik. In: Elektronik Informationen, 1990, N. 11, S. 93-95 ausführlich vorgestellt.

Zum Einsatz von Kaltleitern, die im Längszweig von Überspannungs-Schutzgeräten angeordnet sind, um Überlastungsfällen vorzubeugen, sei noch auf die DE 39 08 236 A1 und die JP 09084258 A aufmerksam gemacht.

Aufgabenstellung

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Überspannungs-Schutzanordnung mit einer Funkenstrecke als Grobschutzelement anzugeben, wobei die Funkenstrecke zwei Hauptelektroden und mindestens eine Hilfselektrode umfaßt und die Hilfselektrode mit einer Zündeinrichtung in Verbindung steht. Die weiterentwickelte Anordnung soll bezüglich der Zündeinrichtung selbsttätig als Überspannungs-Feinschutz wirken. Weiterhin sollen Belastungen durch netzfrequente Überspannungen sicher beherrscht und eine quasi frei wählbare Zündenergie bereitgestellt werden.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand gemäß den Merkmalen nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Erfindungsgemäß wird innerhalb der Zündeinrichtung ein PTC-Element, d.h. ein Kaltleiter eingesetzt. Kaltleiter sind nichtlineare, temperaturabhängie Widerstände mit einem positiven Temperaturkoeffizienten.

Ein halbleitender Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten des, Widerstandswerts kann beispielsweise aus gesintertem Bariumnitrat mit Zusätzen von Metallverbindungen hergestellt werden.

Mit der vorgeschlagenen Lösung wurde das bisherige Vorurteil der Fachwelt überwunden, welches die Anwendung von Kaltleitern im Zündkreis deshalb ausschloß, da bei sehr hohen Spannungen oder Temperaturen ein Kaltleiter einen negativen Temperaturkoeffzienten annehmen kann.

Durchgeführte Versuche haben ergeben, daß speziell dimensionierte Kaltleiter geeignet sind, den hier angestrebten Zweck zu erfüllen, wobei derartige Kaltleiter bei Belastungen ihren Kaltwiderstand ohne Zerstörung um mindestens das 5fache erhöhen können und weiterhin Sicherheitsreserven der Zündeinrichtung bis zum sicheren Zünden der Funkenstrecke des Ableiters gewährleisten.

Die eingesetzten Kaltleiter sind bezüglich der Impulsströme im Bereich bis zu mehreren 100 A standfest.

Eine zur Steuerung der Eigenschaften der Überspannungs-Schutzanordnung genutzte Widerstandserhöhung des Kaltleiters kann im Anwendungsfall durch joulsche Erwärmung bei sehr hohen energiereichen Impulsströmen, aber auch bei länger andauernden Strömen mit kleiner Amplitude, wie z.B. bei TOV-Belastungen eintreten.

Der erfindungsgemäßen Erkenntnis des zweckmäßigen Einsatzes von Kaltleitern folgend sind diese derart, eine Zündeinrichtung bildend, verschaltet, daß die Widerstandserhöhung des Kaltleiters bei Belastung der Funkenstrecke das Zünd- und Löschverhalten letzterer steuert.

In einer Ausgestaltung der Erfindung kann dem Kaltleiter eine Impedanz, ein Varistor oder ein spannungsabhängiger Schalter in Reihe geschaltet werden. Als spannungsabhängiger Schalter kann ein Gasableiter Verwendung finden, der eine Einstellung der Zündspannung der Vorentladung unabhängig vom Zustand der eigentlichen Funkenstrecke ermöglicht.

Der Kaltleiter ist bevorzugt am Knotenpunkt eines Spannungsteilers angeschlossen, wobei dieser Spannungsteiler zwischen dem Eingangspotential parallel zu den Hauptelektroden angeordnet ist. Der Spannungsteiler kann einen Varistor aufweisen.

Bei einer aktiven Ausführungsform weist die Zündeinrichtung einen Zündspannungs-Übertrager auf, welcher primärseitig zwischen dem Eingangspotential liegt und dessen Sekundärseite zur Hilfselektrode führt.

Sekundärseitig ist hier eine Impedanz vorgesehen, die durch einen Varistor, eine Kapazität oder einen weiteren Kaltleiter gebildet wird.

Bei der Ausführungsform einer aktiven Zündeinrichtung ist der Primärwicklung des Zündübertragers der Kaltleiter in Reihe geschaltet. Diesem Kaltleiter kann ergänzend eine Impedanz in Reihe geschaltet werden, wobei diese Reihenschaltung zusätzlich ein Schaltgerät umfaßt. Die ergänzende Reihenschaltung kann darüber hinaus einen Varistor und/oder eine Suppressordiode aufweisen.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist dafür Sorge getragen, daß eine von außen vorgebbare thermische Beeinflussung des Kaltleiters möglich wird. Diese Einrichtung kann z.B. eine Heizeinrichtung, d.h. eine Heizwicklung sein, um damit die Eigenschaften des Kaltleiters und letztendlich der Zündeinrichtung mittelbar vorzugeben.

Ausführungsbeispiel

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

Die in den Ausführungsbeispielen nach den 2-4 beschriebenen Varianten sind mit Ausnahme der Reihenschaltung Kaltleiter und Gasableiter (2) nicht erfindungswesentlich.

Hierbei zeigen:

1 eine prinzipielle Darstellung der Zündeinrichtung mit Kaltleiter;

2 eine Ausführungsform der Zündeinrichtung mit einer Reihenschaltung von Kaltleiter und weiteren passiven Elementen;

3 eine Darstellung eines Spannungsteilers mit am Knotenpunkt vorgesehenem Kaltleiter zur Bildung der Zündeinrichtung und

4 eine Ausführungsform zur aktiven Steuerung der Zündeinrichtung mittels Zündspannungs-Übertrager.

Bei den passiven Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 dient die Trennstrecke 8 zwischen der Hilfselektrode 3 und der Hauptelektrode 2 als quasi spannungsabhängiger Schalter.

Erreicht die Spannungsbelastung über den Überspannungsableiter 7 zwischen den Eingangspotentialen 5 und 6 die Ansprechspannung der Trennstrecke 8 zwischen den Hauptelektroden 1 und 2, zündet eine Vorentladung zwischen den Elektroden 2 und 3 und es wird die Spannung über dem Überspannungsableiter 7 deutlich reduziert.

Dieser Spannungsabfall wird dann im wesentlichen durch den Kaltwiderstand des Kaltleiters 4 und die Höhe des Stroms durch diesen bestimmt.

Bei Impulsströmen im Bereich von wenigen 10 A bis einigen 100 A kann der Spannungsabfall sofort nach dem Zünden der Vorentladung auf wenige 10 V bis einige 100 V, je nach Kaltwiderstand des Kaltleiters 4, begrenzt werden. Durch diesen geringen Spannungsabfall über dem Ableiter ergibt sich dann die Möglichkeit, insbesondere bei energiearmen Impulsströmen eine Zündung der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden 1 und 2 und damit deren unnötige Belastung gezielt zu steuern.

Ein gegebenenfalls auftretender Netzfolgestrom wird durch die Erhöhung des Widerstands des Kaltleiters 4 auf Werte begrenzt, welche dann durch die Trennstrecke 8 gelöscht werden können.

Bei energiereichen Impulsströmen hingegen nimmt der Spannungsabfall am Kaltleiter 4 nach dem Erreichen der Nennansprechtemperatur aufgrund der joulschen Erwärmung überproportional zur Stromstärke zu, woraus sich die Möglichkeit einer raschen Spannungserhöhung bis zur sicheren Zündung der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden 1 und 2 ergibt.

Bei den kleinen Impulsströmen hingegen nimmt die Spannung nur proportional entprechend dem Kaltwiderstand zu bzw. da der Kaltwiderstand bei geringen Strömen und nur minimalen Erwärmungen des PTC's im allgemeinen sinkt, wird nicht einmal eine proportionale Erhöhung der Spannung bei entsprechender Stromzunahme erreicht. In diesem Arbeitsbereich ist der Spannungsabfall über der gesamten Funkenstrecke zu gering, um diese zu zünden.

Entscheidend für die Bemessung der PTC's ist der notwendige Energieeintrag bis zum sicheren Zünden der Funkenstrecke. Diese Energie sollte bei allen Belastungsfällen deutlich vor dem Erreichen der Temperatur in die Funkenstrecke eingebracht werden, bei welcher der Widerstand des PTC's wieder sinkt. Im Anwendungsfall erfolgt die Zündung der Funkenstrecke jedoch häufig schon vor dem Erreichen der Nennansprechtemperatur bzw. bei einer nur minimalen Überschreitung dieser Temperatur. Nach dem Zünden der Funkenstrecke wird der PTC entlastet und kühlt sich ab. Der PTC sollte jedoch die anstehende Netzspannung als einzelnes Gerät bzw. in Kombination mit einem Gasableiter oder ähnlichem sicher beherrschen.

Die gezielte Überhitzung (z.B. durch Heizungen) erfolgt nur in dem reversiblen Arbeitsbereich des PTC's, das heißt oberhalb der Nennansprechtemperatur und deutlich unterhalb der Temperatur, ab welcher der Widerstand des PTC's wieder fällt. Da die Nennansprechtemperatur der PTC's über einen gewissen Bereich variabel ist, können die benötigten Temperaturen nahezu beliebig gewählt werden.

Grundsätzlich wird durch das beschriebene Verhalten des Kaltleiters das Zünden der Funkenstrecke mit dem Anwachsen der Größe der Impulströme beschleunigt.

Bei netzfrequenten Überspannungen führt der Stromfluß zu einer joulschen Erwärmung des Kaltleiters 4 und damit zur Erhöhung des Widerstandswerts entsprechend der gegebenen Kennlinie. Der Strom wird hierdurch selbsttätig auf einen unkritischen Wert begrenzt und der Kaltleiter 4 damit vor Überlastung geschützt.

Aus dem Vorgenannten ergibt sich beim Einsatz von Kaltleitern neben dem äußerst positiven Selbstschutzeffekt bei netzfrequenten Überspannungen auch eine deutlich verbesserte Möglichkeit im Sinne einer gezielten belastungsabhängigen Steuerung des Ansprechens der eigentlichen Funkenstrecke.

Somit wird eine belastungsabhängige Abstimmung der Funktionsweise des Feinschutzes, d.h. der Zündeinrichtung, und des Grobschutzes, d.h. der Funkenstrecke, innerhalb des Ableiters bei minimalem Verschleiß erreicht.

Wie in den 2 und 3 dargestellt, kann bei einer passiven Zündeinrichtung der Kaltleiter 4 auch in Kombination mit einer Impedanz, einem Varistor oder einem spannungsabhängigen Schalter Verwendung finden.

3 zeigt eine Ausführungsform mit einem Spannungsteiler Z1/Z2, wobei Z1 durch einen Varistor ersetzt werden kann.

Gemäß der offenbarten grundsätzlichen Schaltungsanordnung und deren Varianten ergeben sich einfache Möglichkeiten, das Zusammenspiel zwischen der Zündeinrichtung und einer vorgegebenen Funkenstreckenanordnung abzustimmen und einzustellen, wodurch ein breiterer Regelbereich nutzbar ist.

Mit der Reihenschaltung eines Gasableiters beispielsweise kann die Zündspannung der Vorentladung nahezu unabhängig von der Trennstrecke der Funkenstrecke auch bei Alterung dieser eingestellt werden.

Mit der Erweiterung durch zusätzliche Impedanzen, wie Widerstände, Induktivitäten oder Kapazitäten, besteht die Möglichkeit, das Ansprechverhalten der Funkenstrecke für bestimmte Belastungsfälle, z.B. bestimmte Steilheiten der Impulsströme oder aber auch für bestimmte Energien der Impulströme anzupassen. Eine Reihenschaltung mit Varistoren kann zur besseren Kontrolle der Ansprechspannung und der Leckströme bei einer erwarteten Alterung der Funkenstrecke dienen.

Die in der 3 gezeigte Kombination mit einem Spannungsteiler bzw. einem weiteren Varistor ist ebenfalls zur besseren Einstellung der Ansprechspannung der Funkenstrecke nutzbar. Auch wird auf diese Weise die Einstellung der Leistungsfähigkeit der Feinschutzfunktion der Zündeinrichtung verbessert.

Das Prinzipschaltbild nach der 4 zeigt Möglichkeiten des Einsatzes von Kaltleitern in einer aktiven Zündeinrichtung mit einem Übertrager zur Erhöhung der Zündspannung. Hierdurch werden die Gestaltungsmöglichkeiten der Funkenstreckengeometrie erweitert und es können durch die Einflußnahme auf das Ansprechen des eingesetzten Schaltgeräts auch andere Kriterien außer der Spannung zum Auslösen der Funkenstrecke nutzbar gemacht werden. Dies können z.B. Ströme, Spannungsänderungen oder ähnliches im Längspfad, Querpfad bzw. auch in den zu schützenden Geräten selbst sein.

Bei einer aktiven Zündeinrichtung ist eine Anordnung ohne strom- bzw. energiebegrenzende Teiler bevorzugt. Beim Einsatz einer solchen Schaltung wird nach dem Ansprechen des Schaltelements, welches passiv aber auch aktiv ausgelöst werden kann, der Gesamtspannungsabfall des Ableiters nahezu ausschließlich durch den Kaltwiderstand und die Übertragerwicklung bestimmt.

Kleinere Impulsströme werden somit direkt über die Zündeinrichtung und ohne jegliche Belastung oder Einbindung der Funkenstrecke abgeleitet. Die Energie und die Höhe der Ströme, welche nicht zum Ansprechen der Funkenstrecke führen, können in einfacher Weise durch die Ansprechspannung der Teilfunkenstrecke, das Leistungsvermögen des Übertragers, durch ein Begrenzungselement, z.B. Varistor und Zündkreis, bzw. parallel zum Übertrager und durch die Gestaltung der Funkenstrecke selbst eingestellt werden.

Zusätzlich ergibt sich durch den Spannungsabfall über dem Kaltleiter, welcher durch den Kaltwiderstand und die Charakteristik des Kaltleiters bei unterschiedlichen Strömen bestimmt wird, die Möglichkeit der Steuerung des Ansprechens der Funkenstrecke, da bei einem zu geringen Spannungsabfall selbst bei der Zündung der Vorentladung die Funkenstrecke nicht gezündet werden kann.

Bei optimierter Abstimmung der Funkenstrecke und der Zündeinrichtung kann bei einer aktiven Zündeinrichtung sogar die Belastung der Funkenstrecke durch die Vorentladungen auf ein Minimum begrenzt werden.

Bei höheren Impulsströmen wird infolge des höheren Energieeintrags und des höheren Spannungsabfalls die Funkenstrecke schneller gezündet, so daß der Spannungsabfall über dem Kaltleiter auf Werte unterhalb des Schutzpegels begrenzt bleibt.

Bei TOV-Belastungen und gegebenenfalls vorhandenen Folgeströmen wird der Strom in die Zündeinrichtung durch den Kaltleiter unabhängig vom Ansprechen der Funkenstrecke selbsttätig begrenzt. Bei einigen dieser Beispiele kann, wie erläutert, auch die Kombination eines Kaltleiters mit einem Widerstand, einer Induktivität oder aber auch einem Varistor zur Vergrößerung des Regelbereichs von Vorteil sein.

Insbesondere bei einer aktiven Zündung der Funkenstrecke, wie in 4 gezeigt, ist zu beachten, daß die Sekundärwicklung des Übertragers und die Impedanz Z3 bzw. auch des Varistors und ein eventuell vorhandenes Schaltgerät, z.B. ein Gasableiter, auch durch einen Teilstrom nach dem Zünden der Vorentladung zwischen einer der Hauptelektroden und der Hilfselektrode stark belastet werden kann. Diese Belastung steigt insbesondere bei langen Verzugszeiten bis zum Zünden der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden 1 und 2 an. Besonders kritisch für diese Bauelemente sind jedoch solche Belastungen, bei denen zwar die Vorentladung gezündet wird, jedoch die Hauptfunkenstrecke nicht durchzündet. In solchen Fällen kann insbesondere bei erhöhten Spannungen der Strom auch von vorhandenen Varistoren oder Schaltgeräten nicht beherrscht werden und die eingesetzten Bauelemente der Zündeinrichtung würden überlastet. Als Schutzmöglichkeit bieten sich hier neben der Einbindung eines weiteren Kaltleiters auch der Einsatz einer Kapazität, z.B. als Z3, an. Durch die Kapazität wird der mögliche Stromfluß über die Sekundärseite des Übertragers begrenzt. Die Einbindung einer solchen Kapazität stellt jedoch mit Blick auf die erforderlichen Energien zum Zünden der Funkenstrecke keine Einschränkung dar.

Beim Einsatz eines Kaltleiters innerhalb von Zündeinrichtungen ergibt sich eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der Steuerung des Verhaltens der Überspannungs-Schutzanordnung.

Die Erhöhung des Widerstandswerts eines Kaltleiters kann durch eine von außen einwirkende Erwärmung bewirkt werden. Durch eine zielgerichtete Erwärmung des Kaltleiters, z.B. durch den Einsatz bei höheren Umgebungstemperaturen bzw. durch eine Heizwicklung oder ähnliches, kann die Empfindlichkeit der Zündeinrichtung auch unabhängig von Überspannungen eingestellt werden. Durch eine weitere, drastische künstliche Überhitzung besteht darüber hinaus die Möglichkeit, die Zündeinrichtung quasi zu passivieren, wodurch sich die Ansprechspannung des Ableiters bis auf die natürliche Ansprechspannung der Funkenstrecken zwischen den beiden Hauptelektroden 1 und 2 erhöht.


Anspruch[de]
Überspannungs-Schutzanordnung mit einer Funkenstrecke als Grobschutzelement, wobei die Funkenstrecke zwei Hauptelektroden (1, 2) und mindestens eine Hilfselektrode (3) umfaßt und die Hilfselektrode (3) mit einer als Feinschutz wirkenden Zündeinrichtung in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung mindestens einen nichtlinearen temperaturabhängigen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten, nämlich einen Kaltleiter (4) welcher bei Belastung seinen Kaltwiderstand ohne Zerstörung um mindestens das 5-fache erhöhen kann und bezüglich der Impulsströme bis zu mehreren 100 A standfest ist, aufweist und der Kaltleiter (4) derart verschaltet ist, daß durch die Widerstandserhöhung desselben das Ansprechen, die Empfindlichkeit sowie das Zünd- und Löschverhalten der Funkenstrecke gezielt eingestellt wird, wodurch neben dem Selbstschutz bzw. dem Schutz der Zündeinrichtung auch eine belastungs- und/oder temperaturabhängige Abstimmung der Funktionsweise des Feinschutzes, d. h. der Zündeinrichtung, und des Grobschutzes, d. h. der Funkenstrecke, innerhalb der Überspannungsschutzanordnung bei minimalem Verschleiß erreicht wird, wobei hierfür die Trennstrecke (8) zwischen der Hilfselektrode (3) und der Hauptelektrode (2) als spannungsabhängiger Schalter dient sowie der Kaltleiter (4) ausschließlich direkt oder in Reihe mit einem Gasableiter an der Hilfselektrode (3) und direkt an der Hauptelektrode (1) angeschlossen ist, so daß dann, wenn die Spannungsbelastung der Schutzanordnung (7) zwischen deren Eingangspotentialen (5; 6) die Anspruchspannung der Trennstrecke zwischen den Hauptelektroden (1; 2) erreicht, eine Vorentladung zwischen der Hauptelektrode (2) und der Hilfselektrode (3) zündet mit der Folge einer deutlichen Reduzierung der Spannung über der Schutzanordnung (7), wobei dieser Spannungsabfall durch den Kaltwiderstand des Kaltleiters (4) und die Höhe des Stromes durch diesen bestimmt ist. Überspannungs-Schutzanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur externen, von außen vorgebbaren thermischen Beeinflussung des Kaltleiters. Überspannungs-Schutzanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizwicklung vorgesehen ist, um die Eigenschaften des Kaltleiters (4) und damit der Zündeinrichtung mittelbar zu steuern.






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