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Phoenix Contact: Blitzstromableiter mit Safe Energy Control

20.09.2016

Phoenix Contact stellt Typ-1-Blitzstromableiter Ableiter der SEC-Familie vor; sie punkten mit einer neuen Funkenstrecke.

Auf einen Blick: netzfolgestromfreie Funkenstrecken-Technologie

Die netzfolgestromfreie Funkenstrecken-Technologie von Phoenix Contact

  • maximiert die Verfügbarkeit der geschützten Anlage und Verbraucher
  • minimiert den Einfluss auf die Installation und die Versorgung
  • und erhöht die Robustheit und damit die Langlebigkeit des Ableiters

Blitz- und Überspannungsschutz mit der Ableiterfamilie Safe Energy Control (SEC) wird dadurch leistungsfähiger und langlebiger.

 

Funkenstrecken von herkömmlichen Typ 1-Ableitern können mit hohen Folgeströmen die Installationen belasten - teilweise sogar bis zum nächsten Nulldurchgang der AC-Netzspannung. Unter Umständen kann das zum Auslösen des vorgelagerten Überstromschutzes führen. Durch neue Löschmecha­nismen sind die Typ 1-Ableiter der SEC-Familie die ersten Ableiter mit netzfolgestromfreier Funkenstrecken-Technologie.

Bei der Konzeption von Blitzschutzsystemen hat es sich bewährt, zum Ableiten direkter Blitzein­schläge Typ 1-Ableiter auf Funkenstreckenbasis einzusetzen. Diese Ableiter können die großen Energien der Blitzströme ohne nennenswertes Verschleißen der robusten Bauteile effektiv ableiten. Gleichzeitig weisen die Ableiter eine niedrige Restspannung auf, sodass nachgeschaltete Schutzstufen oder nachgeschaltetes Equipment minimal belastet und damit besser geschützt werden.

Ausblasende Funkenstrecken

In den Anfängen der Funkenstrecken-Technologie standen sich lediglich zwei Elektroden in einem offenen Gehäuse gegenüber, sodass das Ansprechen der Anordnung maßgeblich durch die Durchschlags­festigkeit der Luft - zirca 3 kV/mm - bestimmt wurde. Dementsprechend hoch waren die damit erreichbaren Schutzpegel, was die Anwendung der Funkenstrecken zunächst auch auf den sogenannten „Grobschutz“ einschränkte. Zusätzlich waren die Installationsbedingungen restriktiv, da sämtliche beim Ableitvorgang entstehenden ionisierten und damit leitfähigen Gase in die Umgebung ausge­blasen wurden. So konnte es bei zu geringen Abständen sowie bei anderen leitfähigen oder unter Spannung stehenden Oberflächen zu Überschlägen und Rückzündungen kommen.

Ein weiterer Nachteil dieser simplen Anordnung war das schlechte Löschverhalten. Eine solche am Stromversorgungssystem angeschlossene Funken­strecke konnte nach dem Ableitvorgang lediglich prospektive Kurzschlussströme bis 3 kA selbsttätig löschen - in der Regel durch Ausnutzen des Nulldurchgangs der AC-Netzspannung. Um diese Fähigkeit zu verbessern, wurde die Anordnung um Löschbleche erweitert, wie sie auch in der Schaltertechnik verwendet werden, und die eine Spannungserhöhung durch Lichtbogenaufteilung erzeugen. Diese Kombination brachte enorme Verbesserungen der Löschfähigkeiten bis zu 50 kA. Allerdings war die Technologie nach wie vor ausblasend.

Kapselung und Triggerung

Die Behebung dieses Umstands brachte die Verkapselung der Funkenstrecke in robusten Stahlgehäusen hervor. Um zu einem handhabbaren Aufbau zu gelangen, musste zunächst auf die höhere Löschfähigkeit durch Löschbleche verzichtet werden. Eine weitere Entwicklung, die beinahe zeitgleich erfolgte, war das Einbringen einer Triggerung der Funkenstrecke, die zu niedrigeren Schutzpegeln führen sollte. Eine Hilfselektrode wird zwischen den beiden Hauptelektroden der Funkenstrecke positioniert, die zum Beispiel durch Feldüberhöhung eine Vor-Ionisierung des Elektroden-Zwischenraums erzeugt und damit ein schnelleres Zünden und somit niedrigere Schutzpegel ermöglicht. Auf diese Weise multiplizierte sich die Zahl der möglichen Einsatzorte der Funkenstrecke, da sie nun auch zum Schutz von Geräten mit niedriger Überspannungskategorie geeignet war.

Der Sprung zur heutigen universell einsetzbaren Funkenstrecken-Technologie wurde durch die Kombination und konsequente Weiterentwicklung der beschriebenen Prinzipien ermöglicht. Auch heute stehen sich zwei Elektroden innerhalb eines gekapselten Stahlgehäuses gegenüber, die über eine Hilfselektrode getriggert werden. Der elementare Unterschied besteht aber im Lösch­prinzip und den Energieabfuhrmechanismen, die zum Einsatz kommen.

Neue Löschmechanismen

Für ein möglichst hohes Löschvermögen der Funkenstrecke muss eine hohe Gegenspannung während oder nach dem Ableitvorgang erzeugt werden. Dies erhöht gleichzeitig aber auch den Energieumsatz innerhalb der Funkenstrecke, der bei Kapselung nicht mehr durch Ausblasen in die Umgebung kompensiert werden kann. Deshalb setzt man heute auf andere Mechanismen zur Energie­abfuhr, die unter drei Oberbegriffen zusammen­gefasst werden: kühlende Isolation, Konvektion und Plasmaströmung. Kühlende Isolationswerkstoffe erhöhen die Brennspannung durch Ausgasen, die Begünstigung von Konvektion durch bestimmte Materialpaarungen und – stärken führt Wärmeenergie ab, und das Ausnutzen von Strömungsphänomenen durch entsprechende Geometrien ermöglicht eine Steuerung der Plasmaausbreitung in der Brennkammer.

Gleichzeitig erlauben diese neuen Mechanismen, dass das Löschprinzip vom Verlauf der unter­liegenden Netzspannung unabhängig wird. Wo in den Anfängen der Funkenstrecken-Technologie der Nulldurchgang der AC-Netzspannung zum Verlöschen genutzt wurde, wird die Fähigkeit nun ausschließ­lich durch die Mechanismen zur Spannungserhöhung und Energieabfuhr bestimmt.

Auch der Zeitbereich des Löschvorgangs ist damit in andere Größenordnungen gerückt. Wo früher Folgeströme für mehrere Millisekunden bis zum Nulldurchgang der Netzspannung flossen, verlischt die Funkenstrecke heute in wenigen hundert Mikrosekunden - und unterdrückt damit jegliches Einprägen von netzseitigen Folgeströmen. Die Funkenstrecke ist also netzfolgestromfrei.

Mit dieser Entwicklung gehen weitere Vorteile einher. Durch die neuen Löschmechanismen ist die Technologie nicht nur unabhängig vom Verlauf der Netzspannung, sondern auch weitgehend von der Höhe der abzuleitenden Stoßströme. Herkömmliche Funkenstrecken können sogenannte „Blind-Spots“ aufweisen - das Löschvermögen ist bei kleineren Impulsamplituden manchmal schlechter als bei ihrem angegebenen nominellen Ableitvermögen. Daher ist es wichtig, das Löschvermögen einer Funkenstrecke im ganzen Spektrum abzuprüfen - von kleinen Amplituden bis zum nominellen Ableit­vermögen. Die Funkenstrecken mit Safe Energy Control sind in allen Bereichen netzfolgestromfrei.

Autor/in:
Redaktion Elektrojournal
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