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Überspannungsableiter mit Explosivladung zur Stromunterbrechung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsableiter mit Explosivladung zur Stromunterbrechung.
Die Fachwelt hat sich .fange bemüht, Überspannungsableiter mit niedrigen Ohmschen Entladungsspannungen zu entwickeln. Dies ist einer der wichtigsten Faktoren für die Gewinnung eines grösseren Schutzspielraums hinsichtlich der Isolationsfestigkeit der zu schützenden Anlage. Der Grund hierfür liegt darin, dass eine Erhöhung der Isolationsfestigkeit von Anlageteilen, wie Transformatoren, auf genügende Werte nur unter sehr hohem Kostenaufwand erreichbar ist und entsprechend- grössere wirksame Teile und Gehäuse erfordern würde, um die verstärkte Isolation unterzubringen. Es ist auch zu beachten, dass die Isolationswerte bei Gebrauch der Einrichtungen absinken, wenn diese im Betrieb altern.
Es liegt offensichtlich im Interesse des Benutzers einer Anlage, einen überspannungs- oder Wander- wellenschutz mit verhältnismässig billigen überspannungsableitern zu erhalten, die für eine hauptsächlich auf Grund ihrer Ohmschen Entladungsspannung berechnete Schutzwirkung entworfen sind. Diese Spannung ist das Produkt des Blitzstromes mit dem Ventilblockwiderstand im Falle eines Ventilableiters.
Der Schutzspielraum der geschützten Anlage wird durch die in einem Spannungs-Zeit-Diagramm gemessene Fläche zwischen der Kurve der geringsten Stossfestigkeit der geschützten Einrichtung und der Kurve der Ohmschen Entladungsspannung des Ableiters bezeichnet. Je grösser also der Spielraum, desto grösser ist der vom Ableiter geschaffene Sicherheitsfaktor.
Gewöhnlich liegt ein unbekannter Betrag von Isolationsfestigkeit zwischen der wirklichen und der geringsten erwiesenen elektrischen Stossfestigkeit einer bestimmten Einrichtung. Ebenso kommen Abweichungen in den Ohmschen Entladungsspannungen von Ventilableitern vor. Diese Abweichungen bestehen zwischen Ableiter und Ableiter, da diese ein Massenerzeugnis sind. Es ist daher allgemein von Vorteil, durch geeignete Auswahl der Komponenten eine Ohmsche Entladungsspannung zu erhalten, die einen möglichst grossen Schutzspielraum zwischen der Stossfestigkeit der geschützten Einrichtung und der des Ableiters bietet.
Fördernde Umstände in der Entwicklung von Funkenstrecken und der Auswahl des Ventilmaterials haben zu fortgesetztem Fortschritt bei der Verringerung des Ohmschen Spannungsabfalls oder der Entladungsspannung des Ableiters geführt.
Ein anderes, den Entwurf von I7berspannungs- ableItern betreffende Problem liegt darin, dass der Ableiter durch Blitzschlag oder aus anderen Gründen beschädigt werden kann. Die Zahl solcher Fälle ist scheinbar klein und ein Schaden an den Ableitern ist an sich kein Grund zur Beunruhigung. Indessen ist ein beschädigter Ableiter gewöhnlich ein Kurzschlussweg, und es ist wünschenswert, dass er sich so schnell wie möglich aus der Anlage ausschaltet. Sonst sperrt der kurzgeschlossene Ableiter den Stromkreis, zu dessen Schutz .er bestimmt ist, bis man ihn gefunden und beseitigt hat.
Dies kann eine zeitraubende und kostspielige Arbeit sein, abgesehen davon, dass sie für das Betriebspersonal sehr lästig ist. In der Vergangenheit wurden Ableiter so ausgeführt, dass sie sich bei Beschädigung von dem Stromkreis trennten, indem sie mit einem zerbrechlichen Gehäuse versehen wurden, das bei anhaltendem Folgestromdurchgang durch den beschädigten Ableiter unter der hierbei entwickelten Hitze zerspringt,
oder mit einem anderen Mittel zur Abtrennung einer der Zuleitungen.
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Ein sehr zufriedenstellendes Mittel zum Abtrennen mindestens einer der Zuleitungen eines beschädigten Ableiters ist durch Hinzufügen eines Stromunterbrechers mit Explosivladung geschaffen worden, der eine kleine solche Ladung zum Unterbrechen eines Leiters, wie z. B. der Erdverbindung, zündet. Die Unterbrecher sind so ausgeführt, dass sie immer dann nicht tätig werden, wenn der Ableiter eine ordnungsmässige Entladung ermöglicht und den Folgestrom in normaler Weise beseitigt. Sie arbeiten nur in dem seltenen Notfall einer Beschädigung des Ableiters.
Eine sehr erfolgreiche Vorrichtung dieser Art wird seit Jahren in der Praxis angewendet und in der im amerikanischen Patent Nr. 2 315 320 angegebenen Form ausgeführt.
Wenngleich Vorrichtungen, wie die im genannten Patent beschriebenen, übereinstimmend einen angemessenen Schutz bei Beschädigung eines Ableiters bieten, wurde gefunden, dass die Betrebungen der letzten Zeit nach der Schaffung von überspannungs- ableitern mit geringer Ohmscher Entladungsspannung zu Ableitern geführt haben, die bei normaler Arbeitsweise einen viel höheren Folgestrom durchfliessen lassen. Es hat sich gezeigt, dass der .erhöhte Folgestrom eines Ableiters in gutem Betriebszustand gelegentlich zur Betätigung der Explosivpatrone des Unterbrechers ausreicht, um die Ladung zu zünden und die an das Unterbrechungselement angeschlossene Leitung zu unterbrechen.
Daher bezweckt die vorliegende Erfindung, die Stromunterbrechungseinrichtung des überspannungs- ableiters so auszubilden, dass sie imstande ist, normalerweise verhältnismässig höheren Strom hindurch- zulassen, ohne die zur Trennung der Unterbrecherelektroden vorgesehene Einrichtung zu betätigen, solange nicht der Ableiter oder die mit dem Stromunterbrecher verbundene Schutzeinrichtung beschädigt wurde, oder sonst aufhört, in der für ihn vorgesehenen Weise zu arbeiten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt; in dieser ist Fig. 1 ein Aufriss eines überspannungsableiters mit daran angebrachtem Stromunterbrecher, wobei Teile weggebrochen und andere Teile im Schnitt dargestellt sind, Fig. 2 eine vergrösserte Schnittansicht des in Fig. 1 dargestellten Unterbrechers, Fig. 3 eine Teilansicht der zusammenarbeitenden Elektrodenteile des Unterbrechers nach Fig. 1 und 2 in starker Vergrösserung, Fig. 4 bis 6 sind Teilansichten von zusammenarbeitenden Elektroden und stellen verschiedene Ausführungsformen von Unterbrechern dar,
die ähnlich wie die in Fig. 1 bis 3 widergegebene Ausführungsform arbeiten..
Aus der Zeichnung ist zu .entnehmen, d'ass der im ganzen mit 1 bezeichnete Unterbrecher unmittelbar an einem überspannungsableiter, der im ganzen mit 2 bezeichnet ist, befestigt ist. Der Ableiter 2 hat ein Gehäuse 3 aus keramischem Material, Glas oder an- derem Isolierstoff, in dessen oberem Teil eine Serienfunkenstrecke eingeschlossen ist; ihre Konstruktion enthält mit gegenseitigem Abstand voneinander angeordnete isolierende Stützelemente 4, die ihrerseits Überschlagelektroden 5 in Abständen halten, so dass diese eine Reihe von Funkenstrecken 6 bilden.
Der obere Teil des überspannungsableiters 2 ist mit einer Netz- oder Starkstromleitung durch den Leiter 7 verbunden und von der Isolierkappe 8 umschlossen. Der untere Teil des Ableiters ist mit einem Bodenanschluss 9 versehen, und ein Widerstandsmaterial 10 von nichtlinearem Verhalten, wie kristallinisches Siliziumkarbid, ist zwischen das untere Ende der Funken.sbreckenkonstruktion und den Bodenan- schluss 9 eingeschaltet. Das nichtlineare Widerstandsmaterial kann die Form einer Reihe von aufeinan- dergestapelten Blöcken aus pulverisiertem Siliziumkarbid haben, das mit einem geeigneten Bindemittel, wie Natriumsilikat, zu einem festen Körper geformt ist.
Die Unterbrechungsvorrichtung 1 ist vergrössert im einzelnen in Fig.2 gezeigt. Die für den Unterbrecher bevorzugte Konstruktion enthält einen oberen Elektroden- oder Ansch'lussteil 15, der mit einer entsprechenden Bohrung 16 versehen ist; diese hat einen innen mit Schraubengewinde versehenen Teil 17, in welchen eine über den Bodenverschluss 9 des Ableiters 2 vorragende Anschlussschraube 18 eingeschraubt werden kann, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Bohrung 16 der Elektrode 15 ist am unteren Ende durch eine Gegenbohrung oder ein Versenk aufge- weitet, wodurch eine Funkenstreckenkammer 19 sowie ein mit dieser und der Bohrung 16 in Verbindung stehender konischer obergang 20 geschaffen wird.
Eine federnde Beilage 21 ist als Wetterdichtung und als Puffermittel zwischen den Teilen 1 und 2 vorgesehen.
Die obere Elektrode 15 ist mit einem Isolierge- häuse 22 verschraubt, das aus Phenolharz oder ähnlichem Material hergestellt sein kann; es kann aus beliebigem Isolierstoff von den gewünschten Isolier- und Festigkeitseigenschaften bestehen, das aber ausserdem in seinem schwächsten Querschnitt zu dem unten angegebenen Zweck zerbrechlich sein muss. Vorzugsweise werden im Kreis verteilte Sicherungsgruben 23 oder dergleichen vorgesehen, in die entsprechende Sicherungszapfen an einer Unterlagscheibe 32 eingreifen können. In die Bohrung 24 des Gehäuses ragt ein unterer Anschlussteil oder eine Elektrode 30, wobei eine Beilage 31 zwischengelegt ist.
Vorzugsweise wird die Beilage 32 zwischen die untere Fläche des Gehäuses 22 und eine Mutter 33 eingelegt, die auf einen aussen mit Schaftgewinde versehenen Teil 34 der Elektrode 30 aufgeschraubt werden kann. Diese Anordnung ermöglicht eine sichere Befestigung der Elektrode 30 im Gehäuse 22.
Die elektrische Verbindung mit einer Erdleitung 35 wird vorzugsweise mit Hilfe einer leitenden Federscheibe 36 hergestellt, die den Leitungsdraht durch Andrücken in elektrischen Kontakt mit der Mutter 33 und über diese mit dem Gewindeteil 34 der unteren
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Elektrode 30 in Verbindung bringt. Eine sichere Verbindung zwischen den Teilen wird mittels eines Bolzens 37 hergestellt, der in eine Innenbohrung 38 der Elektrode 30 eingeschraubt ist. Der Kopf des Schraubenbolzens 37 liegt vorzugsweise auf eine metallene Passscheibe 39 durch Vermittlung einer als Verdrehungssicherung ausgebildeten Unterlagscheibe 40 auf.
Der Teil 39 wird bei dem Formen der Isolier- kappe 41 angebracht, die zur Abdeckung der verschiedenen Verbindungen vorgesehen ist.
Die Elektrode 30 ist vorzugsweise, wie in Fig. 2 gezeigt, und im einzelnen in der vergrösserten Ansicht Fig. 3 dargestellt ist, mit einem säulen- oder stempelartigen Teil 45 versehen, der eine Bohrung 46 zur Aufnahme des Schaftes einer Explosivpatrone 47 hat. Es ist zu bemerken, dass die Säule 45 unterschnitten ist und einen Kragen 48 aufweist. Der Betriebsfre- quenz-Lichtbogen - z. B. von 50 oder 60 Hz wird dazu veranlasst, an der engsten Stelle zwischen dem Kragen 48 und der konischen Fläche 20 der Elektrode 15 überzuschlagen.
Gleichzeitig mit den Überstromlichtbögen auftretender Gasdruck sucht den Lichtbogen in den Teil mit erweitertem Querschnitt zu treiben, der von dem unterhalb des Kragens 48 liegenden säulenartigen Teil und der Bohrungsoberfläche der Elektrode 15 begrenzt ist, wo der Lichtbogen ausgebreitet, gekühlt und gelöscht werden kann.
Bei der bevorzugten Ausführungsform nach Mg. 1 bis 3 wird durch die Unterschneidung auch die Metallmenge zwischen dem Lichtbogen und der Explosivpatrone verringert, was von Vorteil ist, wenn der Lichtbogenüberschlag an einer ungünstigen Stelle eintritt.
Es ist auch zu bemerken, dass die Bohrung 46 der Elektrode 30 ein Versenk hat, das eine verhältnis- mässig grössere Bohrung 50 zur Aufnahme des Kopfes 51 der Explosivpatrone 47 bildet.
Ferner ist zu bemerken, dass der durch die Elektroden 15 und 30 gebildete Kontrolluftspalt von besonderer Gestalt ist, indem die Elektroden ineinandergeschoben sind, so dass zwischen der oberen Oberfläche des Kragens 48 der Elektrode 30 und der die konische Bohrung 20 der Elektrode 15 begrenzenden Fläche ein eingeschnürter Luftspalt entsteht. Die Spaltabmessung ist verhältnismässig weit in einer vom konischen Teil 20 weg und gegen den Kragen 49 am unteren Ende der Elektrode 15 führenden Richtung, wie in Fig. 3 ersichtlich. Die Säule 45 ist auch dazu unterschnitten, um einen noch grösseren Spaltabstand zwischen dem Kragen 49 und der Elektrode 30 zu schaffen.
Wie in Fig. 3 veranschaulicht, wird der Stromweg bei der bevorzugten Ausführungsform durch die gestrichelten Linien 55 wiedergegeben, die den überstrompfad darstellen, und durch die vollausgezogene Linie 56, die den Pfad des Folgestromlichtbogens darstellt. Diese Wege sind nur ein Beispiel eines in einem bestimmten Teil der Vorrichtung erfolgenden Lichtbogenübarschlages; die einander gegenüber- stehenden Flächen der zusammenarbeitenden Elektroden 15 und 30 sind. aber vorzugsweise- symmetrisch in bezug auf eine gemeinsame Achse, so dass eine vorausbestimmte Luftspaltabmessung allseitig um die gleiche Mittelachse geschaffen wird.
Bei verhältnismässig hohen Ohmschen Entladungsspannungen, wie sie bei früheren Ableiterausführun- gen vorlagen, bringt ein unmittelbarer Lichtbogen- überschlag auf die Patrone diese nicht vorzeitig zur Explosion, da die nachfolgenden Leistungsströme keine genügende Stromstärke haben, um die für die Zündung des Explosivkörpers der Patrone notwendige Energie aufzubringen, d. h.
der durch einen unbeschädigten Ableiter infolge eines durch Blitzschlag oder andere übenrspannungswellenentstehenden überstromes hindurchgehende Folgestrom ist nicht gross genug, um die Patrone für das Unterbrechen der Erdverbindung oder sonstigen Verbindung zu entla-. den. So beeinflusste das normale Arbeiten eines unbeschädigten Ableiters nicht den Stromunterbrecher. Dieser bewirkte die Trennung der Erd- oder sonstigen Verbindung nur, wenn der Ableiter beschädigt war und einen genügenden Folgestrom auf die untere Elektrode oder den Patronenkopf überschlagen liess.
Hingegen ist die den Unterbrecher beeinflussende Höhe des nachfolgenden Leistungsstromes bei den verbesserten Ableitern, die die verhältnismässig niedrigeren Ohmschen Entladungsspannungen haben, im gleichen Verhältnis grösser geworden. Daher würde .die Explosivpatrone von Unterbrechern der bisherigen Bauart bei deren Anwendung in Verbindung mit verbesserten Ableitern gelegentlich sich vorzeitig entladen und die Erdverbindung trennen, auch wenn der Ableiter unbeschädigt wäre.
Um eine vorzeitige Entladung zu verhindern, ist die Elektrode 30 mit einer Bohrung 46 versehen, welche die Explosivladung 47 so aufnimmt, dass keiner ihrer Teile im unmittelbaren Lichtbogenweg des nachfolgenden Leistungsstromlichtbogens 56 liegt, der offenbar den kürzesten Weg zwischen den voneinander getrennten Elektrodenteflen nimmt. Dies kann in wirksamer Art geschehen, indem die Bohrung der Elektrode 30 mit einer Gegenbohrung oder einem Versenk 50 zur Aufnahme des Kopfteiles 51 der Patrone versehen wird, wodurch diese vor allen unmittelbar auf sie überschlagenden Lichtbögen geschützt wird.
Selbstverständlich können auch andere Abschirmungen zwischen der Patrone und der oberen Elektrode 15 vorgesehen werden, damit eine verhältnismässig grosse Metallmasse zwischen die Lichtbogen elektroden und den (nicht dargestellten) Explosivstoff zu liegen kommt. Auch dadurch ist die die Patrone 47 tragende Elektrode 30 mit einer Massnahme zur Abschirmung der Patrone gegen den direkten überschlag eines nachfolgenden Leistungslichtbogens 56 ausgestattet.
Ein Überstrom nimmt, wie durch die gestrichelten Linien 55 veranschaulicht ist, wegen seiner viel grösseren Stromstärke eine viel grössere Fläche auf den Elektroden ein und bewirkt daher nicht un-
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mittelbar eine Entladung der Explosivpatrone 47, insbesondere, wenn diese in der angegebenen Weise abgeschirmt ist. Wie ersichtlich, hat die überschlab strecke einen eingeschnürten Teil zwischen den Elektroden, der sich allmählich entlang der Achsenrichtung der ineinandergeschachtelten Elektroden erweitert. Die geringste Spaltweite ist an der Stelle vorhanden, die für den Überschlag bei Betriebsfrequenz (z. B. 60 Hz) bevorzugt wird.
Es ist wahrscheinlich, dass Überspannungen an der engsten Stelle zwischen den Elektroden einen Spaltüberschlag hervorrufen und den überspannungslichtbogen einleiten. Von dieser Elektrodenstelle ausgehend lassen die verschiedenen Ausführungsformen genügend Raum, dass sich der Überspannungslichtbogen ausbreitet und nicht an einem bestimmten Punkt konzentriert, wo er vorzeitig die Entladung der Explosivpatrone bewirken könnte.
Die Ausführungsform nach Fig. 4 verwendet eine abgeänderte Elektroden- oder Anschlusskonstruktion, worin der Anschlussteil oder die Elektrode 60 eine mit der entsprechenden Bohrung 61 zusammenhängende symmetrische Gegenbohrung hat. Die Gegenbohrung 62 ist becherförmig und ergibt eine sich allmählich erweiternde Lichtbogenansatzfläche mit einem Teil von verhältnismässig kleineren Radien 63 in der Nähe der Gegenelektrode 64. Auch hier ist die Elektrode 64 mit einer Kammer oder Bohrung 65 zur Aufnahme der Explosivpatrone 66 versehen.
Wie im Falle der ersten Ausführungsform hat die Elektrode 64 an ihrem Ende eine Gegenbohrung, die den Patronenkopf 67 aufnimmt.
Wie ersichtlich, wird der durch die gestrichelten Linien 68 veranschaulichte Überstrom an der Stelle kleinstem Abstandes zwischen den-Eelktroden 64 und 60 überschlagen. Die Gestaltung der Bohrung 62 der Elektrode 60 wird aber den Überstrom veranlassen, sich schnell entlang des sich erweiternden Weges auszubreiten, wo er gekühlt und zerstreut wird. Der Be- triebsfrequenz-Lichtbogen 69 wird daher veranlasst, eher am kürzesten Weg zwischen den Elektroden überzuschlagen als in der durch überspannungslicht- bögen geschaffenen .leitenden ionisierten Atmosphäre.
Wegen der stetig verlaufenden Gestalt der Elektroden und der schnellen Ausbreitung der Lichtbögen zwischen ihnen wird eine Verkleinerung des Durchmessers der unteren Elektrode 64 nicht für notwendig gehalten, da der nachfolgende Leistungslichtbogen leicht entlang der Linie 69 überschlagen und (unter gewissen Betriebsbedingungen) wieder zünden wird. Auch der Patronenkopf 67 ist ebenso wie alle übrigen Teile der Patrone 66 vollkommen in die Bohrung der Elektrode 64 eingebettet, wobei kein Teil davon in den Spalt zwischen den Elektroden vorragt.
Die Ausführungsform nach Fig.5 enthält eine Elektrode 75 mit einer Bohrung 76 zur Aufnahme einer Explosivpatrone 77. Die Elektrode 75 hat eine Gegenbohrung, um eine Lichtbogenansatzfläche von becherförmigem Umriss ähnlich. jener der Ausführungsform nach Fig. 4 zu schaffen. Im vorliegenden Fall hat die Elektrode 75 auch eine Gegen- bohrung zur Aufnahme des Kopfes 79 der Patrone 77 oder ist in sonstiger Weise so ausgedreht, dass sie die Patrone vollständig aufnimmt, damit kein Teil davon dem unmittelbaren Lichtbogenweg ausgesetzt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die untere Elektrode 80 vorzugsweise rohrförmig, wenigstens auf eine gewisse Länge, vom freien Ende an gemessen, wie dargestellt, um einen Überschlag unmittelbar von der Elektrode auf die Patrone zu verhindern. Es ist zu bemerken, dass der durch gestrichelte Linien 81 bezeichnete Überstrom an der engsten Stelle zwischen den Elektroden beginnen wird, und dass wegen der allmählichen Erweiterung des zwischen diesen gebildeten Spaltes der Weg 82 des Überspannungslichtbogens und der Folgestromlichtbögen von verhältnismässig niedriger Stromstärke gekühlt ist, so dass diese Lichtbögen erlöschen, ehe sie die Patrone 80 zur Entladung bringen.
Auch hier erfolgt, wie man sieht, der Überschlag zwischen den Elektroden; er endet nicht unmittelbar auf der Explosivpatrone, die gegen ihn abgeschirmt ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 6 sieht die Aufnahme der Explosivpatrone 85 in einer Bohrung 86 der oberen Elektrode 87 vor. Die Bohrung 86 hat eine Gegenbohrung zur Aufnahme des Kopfes 88 der Patrone 85, um diese vollständig gegen die Bildung von Ansatzpunkten des zwischen den Elektroden entstehenden Lichtbogens abzuschirmen. Die untere Elektrode 89 hat eine Bohrung 90, um zu verhindern, dass Lichtbögen zwischen dieser Elektrode und dem Patronenkopf 88 überschlagen.
Wie ersichtlich, ist die Elektrode 89 mit einer konischen Lichtbogenansatzfläche 91 versehen, die einen sich allmählich erweiternden Lichtbogenspalt zwischen den Elektroden begrenzt. Es ist klar, dass eine oder beide Elektroden in dieser Weise konisch gestaltet sein können.
Der Überstrom ist durch die gestrichelten Linien 92 angedeutet und wird an der engsten Stelle zwischen den Elektroden entstehen, die auch durch die voll ausgezogene Linie 93 bezeichnet ist. Wie ersichtlich, sind die Lichtbögen sowohl des überstroms als auch des nachfolgenden Leistungsstromes gegen unmittelbare Berührung mit der Explosivpatrone 85 abgeschirmt, um eine vorzeitige Entladung der Patrone und Trennung der Kontakte zu verhindern.
Bei allen Ausführungsformen wird vorzugsweise das Isoliergehäuse, z. B. das Gehäuse 22 der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3, wie vorhin erwähnt, mit einer zerbrechlichen Stelle versehen, die entweder geringe mechanische Festigkeit oder einen zerbrechlichen Teil von verhältnismässig geringer Wandstärke hat, wie z. B. die unterste Stelle der die Bohrung 24 umschliessenden Wand, was in Fig. 2 ersichtlich ist.
Dies begünstigt, dass die Explosivladung einen sauberen Bruch zwischen für das Auseinanderziehen der Überschlagstrecke massgebenden Teilen herbeiführt,
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und die abgetrennte Leitung 35 wirkt als sichtbares Anzeigemittel für den beschädigten Ableiter.
Es werden zwar vorzugsweise verschlossene, mit pulverisiertem Explosivstoff gefüllte Patronen angewendet, jedoch ist es klar, dass es möglich ist, den Explosivstoff unmittelbar in der Bohrung, wie z. B. der Bohrung 46, der einen oder anderen Elektrode anzubringen. Die Elektrode würde dann, wenngleich dies nicht dargestellt ist, nach Füllung mit einer bestimmten Pulvermenge, durch einen geeigneten Abschluss dicht verschlossen werden, wie es in herkömmlicher Übung beim Verschliessen von Patronen und dergleichen geschieht.
Auch in diesem Fall würde die Elektrodenboh- rung eine Gegenbohrung für die Aufnahme des Bohrungsverschlusses erhalten, um diesen vor direkter Berührung mit den Lichtbogenfusspunkten abzuschirmen. Es können auch andere Abschirmmittel vorgesehen werden, wie vorhin vorgeschlagen, die z. B. einen den Endteil der Elektrode umgebenden (nicht dargestellten) Abschirmring enthalten. Die Hauptsache ist der Schutz des Pulvers und des dieses körperlich berührenden Abschlussteils gegen den direkten Lichtbogenweg, wie er durch den Luftzwischenraum zwischen den einander gegenüberstehenden Elektroden bestimmt ist.
Es ist selbstverständlich auch möglich, das den Explosivkörper aufnehmende leitende Element mit einer durchgehenden Bohrung zu versehen, aus der ein Teil der Patrone über die Oberfläche des Elementes nach der von der Schutzstrecke abgekehrten Seite hinausragt. Auch hier müsste eine Abschirmung gegen unmittelbare Berührung mit Fusspunkten des Folgestromlichtbogens durch versenkte Anordnung, wie z. B. mittels einer Gegenbohrung oder dergleichen vorgesehen werden.
Es kann ausserdem der Explosivkörper, sofern er der Einwirkung von Lichtbogenfusspunkten unterworfen sein könnte, aus der Nachbarschaft der Schutzstrecke abgerückt werden, auch wenn die Strecke bei Explosion der Patrone nicht auseinandergezogen wird. Das heisst, der Explosivkörper kann mit seinem versenkten Kopfteil in der Nähe einer Schutzstrecke liegen und mit einem anderen Teil in eine zerbrechliche Kammer des Gehäuses hineinragen, um bei Entladung die ganze Elektrodenkonstruktion auszuwerfen.
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Surge arrester with explosive charge for current interruption The present invention relates to a surge arrester with explosive charge for current interruption.
The professional world has tried .fange to develop surge arresters with low ohmic discharge voltages. This is one of the most important factors for gaining a greater degree of protection with regard to the insulation strength of the system to be protected. The reason for this is that an increase in the insulation strength of system parts such as transformers to sufficient values can only be achieved at very high cost and would require correspondingly larger effective parts and housings to accommodate the reinforced insulation. It should also be noted that the insulation values decrease when the equipment is used as it ages during operation.
Obviously, it is in the interest of the user of a system to obtain overvoltage or traveling wave protection with relatively cheap surge arresters which are designed for a protective effect calculated mainly on the basis of their ohmic discharge voltage. This voltage is the product of the lightning current with the valve block resistance in the case of a valve arrester.
The protection margin of the protected installation is indicated by the area measured in a voltage-time diagram between the curve of the lowest shock resistance of the protected facility and the curve of the ohmic discharge voltage of the arrester. The greater the leeway, the greater the safety factor created by the arrester.
Usually there is an unknown amount of insulation strength between the actual and the lowest proven electrical shock resistance of a given facility. There are also deviations in the ohmic discharge voltages of valve arresters. These deviations exist between the arrester and the arrester, as these are mass-produced. It is therefore generally advantageous, through a suitable selection of the components, to obtain an ohmic discharge voltage which offers the greatest possible protection margin between the shock resistance of the protected device and that of the arrester.
Contributing factors in the development of spark gaps and the selection of valve material have led to continued progress in reducing the ohmic voltage drop or the discharge voltage of the arrester.
Another problem affecting the design of surge arresters is that the arrester can be damaged by lightning or other causes. The number of such cases appears to be small and damage to the arresters is in itself no cause for concern. Meanwhile, a damaged arrester is usually a short circuit path and it is desirable that it trip out of the system as soon as possible. Otherwise the short-circuited arrester blocks the circuit, which it is intended to protect, until it has been found and eliminated.
This can be a time consuming and costly job, in addition to being a nuisance for the operating personnel. In the past, arresters were designed in such a way that they were disconnected from the circuit if they were damaged by providing them with a fragile housing, which bursts under the heat developed in the process if the follow current continues to pass through the damaged arrester.
or with some other means of disconnecting one of the supply lines.
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A very satisfactory means of disconnecting at least one of the leads of a damaged arrester has been provided by the addition of an explosive charge circuit breaker which can hold a small such charge to break a conductor such as a wire. B. the earth connection, ignites. The circuit breakers are designed in such a way that they are always inactive when the arrester enables proper discharge and eliminates the follow-up current in the normal way. They only work in the rare emergency of damage to the arrester.
A very successful device of this type has been used in practice for years and is carried out in the form given in American Patent No. 2,315,320.
Although devices such as those described in the cited patent consistently provide adequate protection against damage to an arrester, it has been found that recent efforts after the creation of surge arresters with low ohmic discharge voltage have led to arresters that operate normally let much higher follow current flow through. It has been shown that the increased follow-up current of an arrester in good operating condition is occasionally sufficient to actuate the explosive cartridge of the interrupter in order to ignite the charge and to interrupt the line connected to the interruption element.
The present invention therefore aims to design the current interruption device of the surge arrester in such a way that it is able to normally allow relatively higher currents to pass through without actuating the device provided for separating the interrupter electrodes, as long as the arrester or the protective device connected to the circuit breaker is not activated has been damaged or otherwise ceases to work in the manner intended for it.
Embodiments of the invention are shown in the drawing; 1 is an elevation view of a surge arrester with a circuit breaker attached, with parts broken away and other parts shown in section, FIG. 2 is an enlarged sectional view of the breaker shown in FIG. 1, FIG. 3 is a partial view of the cooperating electrode parts of the breaker according to FIGS. 1 and 2 greatly enlarged, FIGS. 4 to 6 are partial views of interacting electrodes and show different embodiments of circuit breakers,
which work similar to the embodiment shown in Fig. 1 to 3 ..
From the drawing it can be seen that the interrupter designated as a whole by 1 is attached directly to a surge arrester, which is designated as a whole by 2. The arrester 2 has a housing 3 made of ceramic material, glass or other insulating material, in the upper part of which a series spark gap is enclosed; Their construction contains insulating support elements 4 which are arranged at a mutual distance from one another and which in turn hold flashover electrodes 5 at intervals so that they form a series of spark gaps 6.
The upper part of the surge arrester 2 is connected to a mains or power line through the conductor 7 and enclosed by the insulating cap 8. The lower part of the arrester is provided with a base connection 9, and a resistance material 10 of non-linear behavior, such as crystalline silicon carbide, is connected between the lower end of the spark gap construction and the base connection 9. The nonlinear resistor material can be in the form of a series of stacked blocks of powdered silicon carbide formed into a solid body with a suitable binder, such as sodium silicate.
The interruption device 1 is shown enlarged in detail in FIG. The construction preferred for the interrupter contains an upper electrode or connection part 15 which is provided with a corresponding bore 16; this has a part 17 provided with a screw thread on the inside, into which a connection screw 18 protruding beyond the bottom closure 9 of the arrester 2 can be screwed, as shown in FIG. 1. The bore 16 of the electrode 15 is widened at the lower end by a counterbore or a countersink, as a result of which a spark gap chamber 19 as well as a conical transition 20 connected to this and the bore 16 is created.
A resilient shim 21 is provided as a weather seal and as a buffer means between parts 1 and 2.
The upper electrode 15 is screwed to an insulating housing 22, which can be made of phenolic resin or a similar material; it can consist of any insulating material with the desired insulating and strength properties, but which must also be fragile in its weakest cross-section for the purpose specified below. Securing pits 23 or the like distributed in a circle are preferably provided, into which corresponding securing pins on a washer 32 can engage. A lower connection part or an electrode 30 protrudes into the bore 24 of the housing, with a shim 31 being interposed.
The insert 32 is preferably inserted between the lower surface of the housing 22 and a nut 33 which can be screwed onto a part 34 of the electrode 30 provided with a shaft thread on the outside. This arrangement enables the electrode 30 to be securely fastened in the housing 22.
The electrical connection to a ground line 35 is preferably established with the aid of a conductive spring washer 36, which presses the wire into electrical contact with the nut 33 and via this with the threaded part 34 of the lower
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Brings electrode 30 in connection. A secure connection between the parts is established by means of a bolt 37 which is screwed into an inner bore 38 of the electrode 30. The head of the screw bolt 37 preferably rests on a metal shim 39 through the intermediary of a washer 40 designed to prevent rotation.
The part 39 is attached when the insulating cap 41 is formed, which is intended to cover the various connections.
The electrode 30 is preferably, as shown in FIG. 2 and shown in detail in the enlarged view in FIG. 3, with a column-like or stamp-like part 45 which has a bore 46 for receiving the shaft of an explosive cartridge 47. It should be noted that the column 45 is undercut and has a collar 48. The operating frequency arc - e.g. B. of 50 or 60 Hz is made to fold over at the narrowest point between the collar 48 and the conical surface 20 of the electrode 15.
Gas pressure occurring at the same time as the overcurrent arcs tries to drive the arc into the part with enlarged cross-section, which is delimited by the columnar part lying below the collar 48 and the bore surface of the electrode 15, where the arc can be spread, cooled and extinguished.
In the preferred embodiment according to Mg. 1 to 3, the undercut also reduces the amount of metal between the arc and the explosive cartridge, which is advantageous if the arc flashover occurs at an unfavorable point.
It should also be noted that the bore 46 of the electrode 30 is countersunk, which forms a relatively larger bore 50 for receiving the head 51 of the explosive cartridge 47.
It should also be noted that the control air gap formed by the electrodes 15 and 30 has a special shape in that the electrodes are pushed into one another so that there is a surface between the upper surface of the collar 48 of the electrode 30 and the area delimiting the conical bore 20 of the electrode 15 constricted air gap arises. The gap dimension is relatively far in a direction away from the conical part 20 and towards the collar 49 at the lower end of the electrode 15, as can be seen in FIG. The column 45 is also undercut in order to create an even larger gap distance between the collar 49 and the electrode 30.
As illustrated in Figure 3, in the preferred embodiment, the current path is represented by the dashed lines 55 representing the overcurrent path and the solid line 56 representing the path of the follow current arc. These paths are just one example of an arc flash occurring in a particular part of the device; are the opposing surfaces of the cooperating electrodes 15 and 30. but preferably symmetrically with respect to a common axis, so that a predetermined air gap dimension is created on all sides around the same central axis.
In the case of relatively high ohmic discharge voltages, as was the case with earlier arrester designs, a direct arc flashover on the cartridge does not cause it to explode prematurely, as the subsequent power currents do not have sufficient amperage to generate the energy required to ignite the explosive body of the cartridge to raise, d. H.
the follow-up current passing through an undamaged arrester as a result of an overcurrent caused by lightning strikes or other overvoltage waves is not large enough to discharge the cartridge to interrupt the earth connection or other connection. the. The normal working of an undamaged arrester did not affect the circuit breaker. This only caused the separation of the earth or other connection if the arrester was damaged and caused a sufficient follow-up current to flash over to the lower electrode or the cartridge head.
In contrast, the level of the subsequent power current influencing the interrupter has increased in the same ratio in the case of the improved arresters, which have the relatively lower ohmic discharge voltages. Therefore, the explosive cartridge of interrupters of the previous design would occasionally discharge prematurely when used in conjunction with improved arresters and disconnect the earth connection, even if the arrester were undamaged.
In order to prevent a premature discharge, the electrode 30 is provided with a bore 46, which receives the explosive charge 47 in such a way that none of its parts lie in the immediate arc path of the subsequent power current arc 56, which obviously takes the shortest path between the separated electrode fields. This can be done in an effective manner in that the bore of the electrode 30 is provided with a counterbore or a countersink 50 for receiving the head part 51 of the cartridge, thereby protecting it from all arcing directly on it.
Of course, other shields can also be provided between the cartridge and the upper electrode 15 so that a relatively large metal mass comes to lie between the arc electrodes and the explosive (not shown). As a result, the electrode 30 carrying the cartridge 47 is also equipped with a measure for shielding the cartridge against the direct flashover of a subsequent power arc 56.
As is illustrated by the dashed lines 55, an overcurrent takes up a much larger area on the electrodes because of its much greater current strength and therefore does not cause un-
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indirectly a discharge of the explosive cartridge 47, in particular if it is shielded in the specified manner. As can be seen, the overturned stretch has a constricted portion between the electrodes which gradually widens along the axial direction of the nested electrodes. The smallest gap width is at the point that is preferred for the flashover at the operating frequency (e.g. 60 Hz).
It is likely that overvoltages at the narrowest point between the electrodes will cause a gap flashover and initiate the overvoltage arc. Starting from this electrode point, the various embodiments leave enough space for the overvoltage arc to spread and not concentrate at a certain point where it could prematurely cause the explosive cartridge to discharge.
The embodiment according to FIG. 4 uses a modified electrode or connection structure in which the connection part or electrode 60 has a symmetrical counterbore associated with the corresponding bore 61. The counterbore 62 is cup-shaped and results in a gradually widening arc attachment surface with a portion of relatively smaller radii 63 in the vicinity of the counterelectrode 64. Here, too, the electrode 64 is provided with a chamber or bore 65 for receiving the explosive cartridge 66.
As in the case of the first embodiment, the electrode 64 has a counterbore at its end which receives the cartridge head 67.
As can be seen, the overcurrent illustrated by the dashed lines 68 is overturned at the point of the smallest distance between the electrodes 64 and 60. However, the design of the bore 62 of the electrode 60 will cause the excess current to rapidly propagate along the expanding path where it is cooled and dissipated. The operating frequency arc 69 is therefore caused to flash over on the shortest path between the electrodes rather than in the conductive ionized atmosphere created by overvoltage arcs.
Due to the continuous shape of the electrodes and the rapid spread of the arcs between them, reducing the diameter of the lower electrode 64 is not considered necessary, since the subsequent power arc will easily overturn along the line 69 and (under certain operating conditions) will re-ignite. The cartridge head 67, like all other parts of the cartridge 66, is completely embedded in the bore of the electrode 64, no part of which protrudes into the gap between the electrodes.
The embodiment according to FIG. 5 contains an electrode 75 with a bore 76 for receiving an explosive cartridge 77. The electrode 75 has a counterbore, similar to an arc attachment surface of cup-shaped outline. that of the embodiment of FIG. In the present case, the electrode 75 also has a counterbore for receiving the head 79 of the cartridge 77 or is otherwise turned out in such a way that it completely accommodates the cartridge so that no part of it is exposed to the direct arc path.
In the present embodiment, the lower electrode 80 is preferably tubular, at least for a certain length, measured from the free end, as shown, in order to prevent flashover directly from the electrode to the cartridge. It should be noted that the overcurrent indicated by dashed lines 81 will begin at the narrowest point between the electrodes, and that because of the gradual widening of the gap formed between them, the path 82 of the overvoltage arc and the follow-up arcs of relatively low amperage are cooled, so that these arcs are extinguished before they cause the cartridge 80 to discharge.
Here too, as can be seen, the flashover takes place between the electrodes; it does not end directly on the explosive cartridge, which is shielded from it.
The embodiment according to FIG. 6 provides for the explosive cartridge 85 to be received in a bore 86 of the upper electrode 87. The bore 86 has a counterbore for receiving the head 88 of the cartridge 85 in order to shield it completely against the formation of points of attachment of the arcing between the electrodes. The lower electrode 89 has a bore 90 to prevent arcs from flashing over between this electrode and the cartridge head 88.
As can be seen, the electrode 89 is provided with a conical arc attachment surface 91 which delimits a gradually widening arc gap between the electrodes. It will be appreciated that one or both of the electrodes can be tapered in this way.
The overcurrent is indicated by the dashed lines 92 and will arise at the narrowest point between the electrodes, which is also indicated by the solid line 93. As can be seen, the arcs of both the overcurrent and the subsequent power current are shielded from direct contact with the explosive cartridge 85 in order to prevent premature discharge of the cartridge and separation of the contacts.
In all embodiments, the insulating housing, for. B. the housing 22 of the embodiment of FIGS. 1 to 3, as mentioned above, provided with a fragile point that has either low mechanical strength or a fragile part of relatively small wall thickness, such as. B. the lowest point of the wall surrounding the bore 24, which can be seen in FIG.
This favors that the explosive charge brings about a clean break between the decisive parts for pulling the rollover section apart,
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and the severed line 35 acts as a visual indicator of the damaged arrester.
Sealed cartridges filled with powdered explosive are preferably used, but it is clear that it is possible to use the explosive directly in the bore, e.g. B. the bore 46 to attach one or the other electrode. The electrode would then, although this is not shown, after being filled with a certain amount of powder, be tightly closed by a suitable closure, as is done in conventional practice when closing cartridges and the like.
In this case too, the electrode bore would have a counterbore for receiving the bore closure in order to shield it from direct contact with the arc root points. Other shielding means can also be provided, as previously suggested, e.g. B. contain a shielding ring (not shown) surrounding the end part of the electrode. The main thing is to protect the powder and the end part in physical contact with it against the direct arc path, as determined by the air gap between the opposing electrodes.
It is of course also possible to provide the conductive element receiving the explosive body with a through hole from which a part of the cartridge protrudes beyond the surface of the element on the side facing away from the protective path. Here too, a shield against direct contact with the base points of the follow current arc would have to be provided by a recessed arrangement, such as B. be provided by means of a counterbore or the like.
In addition, the explosive body, if it could be subject to the action of arc roots, can be moved away from the vicinity of the protective section, even if the section is not pulled apart when the cartridge explodes. This means that the sunk head part of the explosive body can lie close to a protective path and another part can protrude into a fragile chamber of the housing in order to eject the entire electrode structure when it is discharged.