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Überspannungsableiter.
Es sind Ventilüberspannungsableiter bekannt, welche nach dem Ableiten der Überspannung ihren Widerstand so stark erhöhen, dass der Betriebsstrom nicht nachfolgen kann.
Die Erfindung betrifft einen Ventilableiter, bei dem die Ventilwirkung besonders ausgeprägt ist und der auf diese Weise sehr genau ansprieht und wieder unterbricht und grosse Überspannungsenergien abzuleiten imstande ist. Die Erfindung besteht darin, dass die Überspannungsenergien durch parallele Lichtbogenentladungen in sehr engen, von Isoliermaterial umgebenen Kanälen abgeführt wird.
Durch diese Überspannungsableiter wird also die Überspannungsenergie in Form von Lichtbogen abgeleitet, wodurch sie sich wesentlich von den bekannten Ventilableitern unterscheidet. Infolge der Wahl dieser Entladungsform hat man es in der Hand, die sogenannte Ansprechspannung des Ableiters, d. i. die Spannung, bei der die Ableitung einsetzt, und die Sperrspannung, d. i. die Spannung, bei der die Ableitung unterbrochen wird, einander in sehr hohem Masse zu nähern und bei Erreichen dieser Spannungen den Ableitungsvorgang, der sich gleichzeitig durch viele parallele Strombahnen vollzieht, in allen Bahnen gleichzeitig einsetzen zu lassen bzw. zu unterbrechen.
Die Sperrspannung des erfindungsgemässen Ableiters ist jene, bei deren Unterschreiten die Lichtbögen erlöschen, und diese Sperrspannung ist bei einem in einem engen Kanal brennenden Lichtbogen hoch. Diese Verhältnisse sollen an Hand der Fig. 1 erläutert werden.
In der Figur ist ein einziger Kanal dargestellt. Der Kanal ist umgeben von zwei Prismen 1 aus Isoliermaterial, z. B. Glas, Schiefer od. dgl., und zwei seitlichen Streifen 3 ebensolchen Materials, die die Kanalweite bestimmen. Zwei Elektroden 4 bilden den oberen und unteren Abschluss des Kanals. Die Wände des Kanals üben eine stark entionisierende Wirkung aus, wodurch die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderliche Spannung erhöht wird. In Fig. 2 ist die Einwirkung der Kanalweite auf die Mindestspannung, bei der der Lichtbogen bestehen bleibt, für gleiche Kanallängen diagrammatiseh dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass diese Spannung bei Kanalweiten von 6 mm abwärts sehr stark ansteigt und bei Weiten von Viooo w sich der Spannung nähert, bei der der Lichtbogenübersehlag erfolgt, wie dies für die Ansprech- und Sperrspannung des Überspannungsableiters erforderlich ist.
Eine weitere Annäherung der beiden Spannungen erhält man, indem man die Ansprechspannung herabsetzt. Dies kann man dadurch erreichen, dass die Kanalwände mit fein verteiltem leitendem Material überzogen werden.
Bei einer freien Lichtbogenentladung nimmt der Liehtbogenquerschnitt mit wachsender Stromstärke zu und der Lichtbogen sucht die Stromdichte beizubehalten, bei der zu seiner Aufrechterhaltung die niedrigste Spannung nötig ist. Wird nun durch die Kanalwände der Lichtbogen eingeengt, so steigt die Stromdiehte an und damit auch die Spannung, die zu seiner Aufreehterhaltung nötig ist. In Kanälen von einigen Tausendstelmillimeter Weite steigt die Stromdichte bis auf etwa 2000-4000 Amp. je cm2 an. Die Kanäle werden zwecks Hochhaltul1g der Sperrspannung zweckmässig so eng gehalten, dass die Lichtbogen sie ganz ausfüllen.
Kanäle so geringer Weite lassen sich mit der nötigen Festigkeit gegen die auftretenden hohen Gasdrücke schwer herstellen. Man kann aber auf einfache Art eine grosse Zahl enger Kanäle mit mehr oder weniger zylindrischen Wänden und grosser Festigkeit erhalten, wenn man einen Behälter mit kleinen
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Durch Verringerung der Korngrösse lässt sich die Kanalweite herab-und damit die Sperrspannung heraufsetzen. Ist der Überspannungsableiter für höhere Spannungen bestimmt, so kann pulverisiertes Isolermaterial verwendet werden. In diesem Falle muss das Material vollkommen ausgetrocknet und hermetisch
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Ebenso muss das Pulver fest zusammengepresst werden, damit sich keine Kanäle mit grösserer Weite bilden.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines solchen Ableiters dargestellt. Darin sind 6 die Körnchen aus Isoliermaterial, die durch einen Porzellanring 7 und an den Enden des Porzellanringes angebrachte Elektroden 8 zusammengehalten werden, wobei der Porzellanring 7 und die Elektroden 8 einen luftdichten Abschluss bilden.
Eine weitere Möglichkeit, viele parallele Kanäle mit geringer Weite und grosser Festigkeit zu erhalten, besteht in der Verwendung eines porösen Blockes, wie er in Fig. 4 dargestellt ist.
An Hand der Fig. 5, 6,7 soll die Wirkungsweise eines solchen Ableiters näher erläutert werden.
In Fig. 5 ist die Stromspannungseharakteristik eines Lichtbogens in freier Luft durch die ausgezogene Kurve a, die mehrerer Liehtbogenentladungen in Kanälen durch die gestrichelten Linien b, fl,
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Mit wachsender Stromstärke nimmt die zur Aufreehterhaltung des Lichtbogens in freier Luft nötige Spannung ab. Durch die Einengung des Lichtbogens in einem engen Kanal ändert sieh die Charakteristik vollkommen, u. zw. fällt die Charakteristik bis zu einer gewissen Stromstärke in dem gleichen Masse, wie die des Lichtbogens in freier Luft. Bei weiterer Steigerung der Stromstärke wird jedoch der Lichtbogen durch die Kanalwände eingeengt, die Stromdichte des Lichtbogens und auch die zu seiner Aufreehterhaltung nötige Spannung nimmt sehr stark wieder zu. Der Umkehrpunkt, d. h. die Minimalspannung, bei der ein Lichtbogen auftritt, ergibt die Sperrspannung des Kanals.
Sie ist abhängig von der Kanalweite, und das Diagramm zeigt, dass sie durch enge Kanäle wesentlich erhöht werden kann.
Der Verlauf des Entladevorganges durch einen Lichtbogen in einen solchen Kanal geht ebenfalls aus dem Diagramm Fig. ó hervor. Steigt die an den Enden des Kanals angelegte Spannung bis zur Anspreehspannung A an, so erfolgt der Lichtbogenüberschlag. durch den sofort der Strom a ;, .. Y,. oder XI,
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ab, bis die Sperrspannung S erreicht ist und der Lichtbogen erlischt. Aus dem Diagramm geht hervor, dass die Stromstärke in den Kanälen mit geringerer Weite und höherer Sperrspannung geringer ist. Demgemäss verwendet man viele enge Kanäle und kann dadurch grosse Energiemengen schnell abführen.
Fig. 6 zeigt den Verlauf der Stromspannungscharakteristik eines aus vielen parallelen Kanälen
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bogen nicht mehr aufrechterhalten kann. Die Kurve C gibt den Verlauf für die engeren Kanäle an und zeigt ebenfalls, dass die Sperrspannung durch enge Kanäle der Ansprechspannung genähert werden kann.
Bei dem Diagramm in Fig. 6 war angenommen, dass in sämtlichen Kanälen der Lichtbogen bei derselben Spannung eingeleitet und auch unterbrochen wird. Dies wird sich jedoch bei der Ausführung des Ableiters nicht ermöglichen lassen, so dass eine andere Charakteristik. die in Fig. 7 dargestellt ist, bei einem ausgeführten Uberspannungsleiter dieser Art vorhanden sein wird. Hiebei sprechen die einzelnen durch die Kanäle dargestellten Funkenstrecken nicht gleichmässig, sondern nacheinander an. so dass mit zunehmender Spannung immer mehr Kanäle ansprechen und der abgeführte Strom von einem Wert 1 auf einem Wert B zunimmt, bis die Zahl der Kanäle genügt, um die Überspannung abzusenken.
Ebenso werden bei sinkender Spannung die Lichtbogen nicht gleichzeitig unterbrochen, sondern nacheinander. wie die untere Kurve C zeigt.
Wie bereits erwähnt, kann man die Anspreehspannung dadurch herabsetzen, dass man die Wände der Kanäle mit fein verteilten Teilchen aus leitendem Material bedeckt. Die Einwirkung dieser Teilchen lässt sieh so erklären, dass sie bei der hohen auftretenden Spannung anfangen zu sprühen und dadurch die Luft in den Kanälen ionisieren, so dass zur Erzeugung des Lichtbogens eine geringere Spannung nötig ist. In Fig. 8 ist diese Wirkung des leitenden Überzuges in den Kanälen dargestellt. Darin zeigt B die Kurve ohne Zusatz, F und G den Ableitungsverlauf bei geringem bzw. bei stärkerem Zusatz von leitenden Teilchen.
Die feine Verteilung der leitenden Teilchen auf die Oberfläche der Kanäle kann durch Niederschlagen von verdampftem leitendem Material geschehen. Man kann aber auch dem porösen Block vor seiner Herstellung diese leitenden Teilchen in fein verteiltem Zustande zusetzen. Sie sind dann durch die Isoliermasse voneinander isoliert, werden aber auch die Kanalwände durchsetzen, so dass die eben beschriebene Wirkung zustande kommt. Der Zusatz an leitendem Material richtet sich dabei hauptsächlich nach der Stärke der Poren, die die Liehtbogenpfade bilden. Grössere Poren erfordern naturgemäss mehr leitendes Material, ebenso ist es erklärlich, dass ein zu geringer Zusatz die Ansprechspannung nicht genügend herabsetzt, wie das bei F in Fig. 8 gezeigt ist.
Anderseits bewirkt ein zu grosser Zusatz an leitendem Material, dass keine scharfe Sperrspannung mehr vorhanden ist, und der Betriebsstrom der zu schützen-
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den Leitung über die durch die leitenden Teilchen gebildeten Kriechwege abiliessen kann. Durch die leitenden Teilchen wird ausserdem die Anspreehspannung der Poren verschiedener Weite einander angeglichen, da ihre Wirkung in engen Poren grösser ist als in weiten Poren. Es ist vorteilhaft, eine möglichst horizontale Anspreehkurve zu erhalten, weil dann die Überspannungsenergie sofort sehr stark abgeleitet wird.
Der poröse Block kann aus feuerfesten Isoliermaterialien jeder Art hergestellt werden, es ist jedoch erforderlich, dass das Material beim Formen nicht springt und kein Kristallwasser enthält. Zweckmässig wird der Block aus gebranntem Ton, z. B. Kaolin. hergestellt, mit dem als leitende Teilchen Karborundum- teile gemischt werden. An Stelle des Karbonmdums kann jedes andere leitende Material verwendet werden, welches mit dem Isoliermaterial gemischt werden kann, ohne dass die mechanische Festigkeit darunter leidet. Der gebrannte Ton ist eine poröse weisse Substanz, in der verglaste Klumpen und kleinere Partikel bis hinab zu höchst feinem Staub enthalten sind. Praktisch haben jedoch alle im gebrannten Ton enthaltenen Partikel eine gröbere Körnung als der ungebrannte Ton.
Die körnigen Partikel sind in hohem Masse porös und absorbieren leicht Flüssigkeiten. Zur Herstellung des Blockes ist Ton zu bevorzugen, der wenig Verunreinigungen von leitendem Material enthält, da es zweckmässiger ist, das leitende Material in entsprechenden Mengen zuzufügen. Während des Herstellungsverfahrens des porösen Blockes ist
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soweit getrocknet, dass es durch ein Sieb geschüttet werden kann, durch welches die Körnung des Materials unterhalb einer bestimmten Grenze gehalten wird. Das halbtrockene körnige Material wird dann weiter getrocknet, bis noch etwa sechs Gewichtsteile Wasser darin enthalten sind, und dann in luftdichte Behälter gefüllt, um ein weiteres Trocknen zu verhüten. Damit ist das Material fertig zum Formen, welches sobald als möglieh vorgenommen werden sollte.
Die Körnung wird deshalb so vorsichtig vorgenommen, damit das Material die Form ganz ausfüllt und ein gleichmässiges Produkt ergibt. Durch die feuchte Mischung
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so dass die Zwischenräume zwischen den einzelnen Partikeln nicht mit kleinen Teilchen ausgefüllt werden können. Aus diesem Grunde darf auch die Mischung nicht zu sehr mit Wasser vermengt werden, da dadurch leicht die kleinen Teilchen von den grösseren losgelöst werden könnten. Durch diese Vorsiehtmassregeln wird vermieden, dass die Poren des Blockes so klein werden, dass die Ansprechspannung zu hoch liegt und ausserdem die Lebensdauer und die Stromableitung herabgesetzt werden.
Das Material wird in eine zweckmässige Form, beispielsweise in Scheibenform, unter einem ent- sprechenden Druck gepresst (1 t je cm2), sodann werden die Scheiben der gewöhnlichen Raumtemperatur längere Zeit ausgesetzt und später gebrannt. Wenn sie zu feucht zum Brennen kommen, wird die Charak- teristik des Überspannungsableiters abgeschliffen, so dass keine scharfe Sperrspannung mehr vorhanden ist. Kommen sie hingegen zu trocken in den Brennofen, ist die mechanische Festigkeit und damit ihre Lebensdauer gering.
Die Scheiben werden vorzugsweise in einem geschlossenen Kohle- oder Graphitbehälter gebrannt und einer entsprechenden Temperatur ausgesetzt. Als besonders günstig für die angegebene Mischung hat sieh eine Temperatur in der Nähe von 1360 C herausgestellt. Geringere Temperaturen beeinträch- tigen die mechanische Festigkeit, höhere Temperaturen vergrössern das Seilwinden, wodurch die Güte und die Lebensdauer des Ableiters herabgesetzt wird. Bei ändern Mischungen wird die günstigste Temperatur eine andere Grösse besitzen. Die Brenntemperatur wird allmählich bis zum Höhepunkt gesteigert und nach dem Brennen ebenso vermindert.
Die Verwendung des Kohle-oder Graphitbehälters zeigt noch folgende Vorzüge : Bei einer hohen Brenntemperatur entwickeln sich in dem Behälter Kohledämpfe, die die Poren des Blockes ganz durchdringen und beim langsamen Abkühlen sich an den Wänden der Poren niederschlagen, so dass durch diesen Niederschlag die Wirkung der im Block vorhandenen leitenden Teilchen noch erhöht wird. Dieselbe Wirkung kann man auch erreichen, wenn man den Brennvorgang in einer Atmosphäre vornimmt, welche Gase enthält, deren Niederschlag auf den Porenwänden einen leitenden Überzug erzeugt.
Nach Beendigung des Brennprozesses werden die parallelen Kontaktflächen der Scheiben zweckmässig mit einem leitenden Überzug, beispielsweise aus Kupfer, versehen. Besonders geeignet hiefür hat sich das Schoopsche Metallspritzverfahren erwiesen. Vorteilhaft wird dabei die Schicht nur bis zu einem
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Kupferspritzer auf den Aussenflächen der Scheiben hervorgerufen werden könnte, zu vermeiden. Die Aussenfläche wird ebenfalls zur Vermeidung von Übersehlägen mit einem Überzug aus isolierendem Material, vorzugsweise mit Lack, überzogen.
In Fig. 9 ist ein Überspannungsableiter, bei dem ein poröser Block gemäss der Erfindung verwendet wird, dargestellt. Das Ableiterelement ist eine Scheibe 79 zwischen einer unteren Platte 23,
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mittels des Leiters 26 an die zu schützende Leitung 27 angeschlossen ist. Die Funkenstrecke 28 hat die Aufgabe, den Ableiter im normalen Fall von der Leitungsspannung zu trennen.
Eine Feder 29 presst die Funkenstrecke kräftig gegen die obere Platte des Überspannungsableiters und hält alle Teile in ihrer
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PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Überspannungsableiter, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannulssenergie durch viele parallele Lichtbogenentladungen in engen, von Isoliermaterial umgebenen Kanälen abgeführt wird.