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Die
Erfindung betrifft einen gekapselten, Netzfolgestrom begrenzenden Überspannungsableiter
auf Funkenstreckenbasis für
Niederspannungsanwendungen mit zwei Hauptelektroden sowie mit bei
Temperaturbelastung gasabgebenden Isolierteilen, wobei eine der
Hauptelektroden mindestens Teil der Kapselung und/oder des Funkenstreckengehäuses ist
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Es
ist bekannt, in Niederspannungsnetzen zum Schutz vor Überspannungen
zwischen den N-L-Leitern Überspannungsableiter
auf der Basis von selbstlöschenden
Funkenstrecken einzusetzen.
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Diese
Funkenstrecken müssen
insbesondere zum Schutz bei direktem Blitzeinschlag über ein hohes
Stoßstromableitvermögen bis
ca. 25 kA 10/350μs
verfügen
und sollen auch die auftretenden Netzfolgeströme im Bereich bis zu 25 kA
selbsttätig unterbrechen.
Weiterhin sollen derartige Funkenstrecken während der Lichtbogenphase den
Netzfolgestrom so stark begrenzen, daß durch vorgeordnete Überstromschutzgeräte keine
Abschaltung der Stromversorgung des Endabnehmers mit allen dann anstehenden
nachteiligen Folgen eintritt.
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Aufgrund
der Entwicklungen in den letzten Jahren besteht die Tendenz, die
Funkenstrecken bei geringen Abmessungen gekapselt auszuführen, so daß keine
heißen,
elektrisch leitfähigen
Gase oder auch Abbrandpartikel in die angrenzende Umgebung der Ableiter
ausgeblasen werden.
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Eine
gekapselte Funkenstrecke mit einem optimierten Netzfolgestrom-Löschvermögen ist
beispielsweise aus der
DE
196 04 947 C1 bekannt. Dort ist eine Funkenstreckenanordnung
beschrieben, die zwei Elektroden umfaßt, welche innerhalb eines
Gehäuses
angeordnet sind und wobei ergänzend
die Möglichkeit
besteht ein Löschgas
vorzusehen. Um eine Steigerung des Folgestromlöschvermögens bei keiner, zumindest
aber nur bei einer geringen Volumenerhöhung der Gesamtanordnung zu
erreichen, wird eine Abstimmung der Größe des zu löschenden Folgestromes auf das
Volumen des Innenraumes des Gehäuses
vorgeschlagen, wobei es darum geht, eine kurzzeitige Erhöhung des
Innendruckes des Gehäuses
auf ein Vielfaches des atmosphärischen
Druckes zu bewirken. Die Druckerhöhung, in dem die Elektroden
aufweisenden Innenraum, wird dabei durch den Lichtbogen des Folgestromes
selbst produziert.
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In
der
DE 198 17 063
A1 wird ein Überspannungsschutzelement
mit Lichtbogenwanderung offenbart, bei dem eine innere Elektrode
in einer äußeren Elektrode
angeordnet ist. Die innere Elektrode ragt mit einem Ende frei in
die äußere Elektrode
hinein, wobei der Querschnitt der inneren Elektrode zum freien Ende
hin abnimmt und ein Lichtbogenabstand zwischen der inneren Elektrode
und der äußeren Elektrode
zu dem freien Ende hin zunimmt. Konkret wird weiterhin gelehrt,
daß es
erwünscht
ist, wenn derjenige Flächenbereich
der inneren Elektrode, über
den hin verteilt Lichtbögen
entstehen, bei kompakten Bauvolumen vergrößert ist und ein schnelleres
Wegwandern der entstandenen Lichtbögen veranlaßt. Auch ist im dortigen, eine
der Elektroden bildenden Teil des Gehäuses, eine Öffnung zum Druckausgleich vorgesehen.
Die Anordnung selbst ist rotationssymetrisch und weist eine Zylinderform
auf.
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In
der
EP 0 860 918 B1 wird
ein Ableiter auf Funkenstreckenbasis vorgestellt, bei der der eigentlichen
Funkenstrecke ein zweiter Raum nachgeordnet ist, der vom Raum der
Funkenstrecke durch eine Platte mit Öffnungen getrennt wird und
bei welchem Prall- und Kühlflächen vorhanden
sind, sowie eine Ausblasöffnung
vorgesehen ist. Mit der Ausgestaltung des zweiten Raumes soll eine
Umlenkung und Kühlung
der heißen
Gase erfolgen, so daß diese ohne
Gefährdung
der Umgebung austreten können.
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Die
Ausblas-Röhrenfunkenstrecke
nach DE-PS 897.444 arbeitet nach dem sogenannten Löschrohrprinzip,
wo zur Verringerung der Gefährdung
durch das Ausblasen eine in Reihe geschaltete Blaskammer angeordnet
ist, in welcher die erhitzten Gase eine Umlenkung und eine Kühlung erfahren, bevor
sie die entsprechende Kammer verlassen.
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Die Überspannungsschutzeinrichtung
mit verbesserten Netzfolgestrom-Löschvermögen nach
DE 100 08 764 A1 geht von
einer konzentrischen Anordnung von einem ersten Funkenhorn und einem zweiten
Funkenhorn aufweisenden ersten und zweiten Elektrode aus, wobei
zwischen den Funkenhörnern
Luft-Durchschlag-Funkenstrecken
gebildet werden. Bei der dortigen Konstruktion soll eine möglichst geringe
Bauhöhe
erreicht werden und zwar dadurch, daß das erste Funkenhorn kegelstumpfförmig ausgebildet
und das zweite Funkenhorn konzentrisch um das erste Funkenhorn herum
angeordnet ist.
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In
der PCT/EP99/06962 wird ein Überspannungsableiter
auf Funkenstreckenbasis beschrieben, der vollständig gekapselt aufgebaut werden
kann und dessen Funktion auf dem Prinzip der Hartgaserzeugung beruht.
Der dortige Ableiter weist einen im Verhältnis zum Brennraum großen Abkühlraum auf, in
welchem die erzeugten und erhitzten Gase durch eine Düse zur Steuerung
des Massendurchsatzes gelangen. Der große Abkühlraum soll hierbei die erzeugte
Gasmenge aufnehmen und möglichst
rasch abkühlen.
Die Nachteile einer derartigen Anordnung bestehen darin, daß die aufgenommene
Energie des Gases, welches in den Abkühlraum gelangt, nicht weiter
zur Beeinflussung des Lichtbogenverhaltens genutzt wird, so daß der Lichtbogen
bis in den Abkühlraum
vordringen kann und das bei Überforderung
des Kühlvermögens der
Abkühlkammer
keine Druckdifferenz zwischen Kühlraum
und Trennraum verbleibt, wodurch die notwendige Beströmung des Lichtbogens,
insbesondere bei vollständiger
Kapselung zum Erliegen kommt. Die Folge ist, daß die Lichtbogenspannung schlagartig
sinkt und somit die Begrenzung des Folgestromes unerwünscht reduziert
wird. Zudem müssen
zur Erzeugung einer hohen Bogenbrennspannung vergleichsweise große Mengen
an Hartgas freigesetzt werden.
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Im
Gegensatz zu den bekannten Ausblasräumen offenbart die
DE 195 06 057 A1 eine
Löschfunkenstrecken-Anordnung
in gekapselter Form, bei der durch Druckdifferenzen der einzelnen
Räume eine
Beströmung
des Lichtbogens erreicht wird und somit die Ausblasräume direkt
auf den Lichtbogenbrennraum Einfluss nehmen. Dies wird allerdings
nur dann erreicht, wenn der Druck im Brennraum vergleichsweise gering
ist und außerdem
recht große Volumina
der Abkühlräume zur
Verfügung
stehen.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift 1 282 153 ist eine Löschfunkenstrecke,
insbesondere für Überspannungsableiter
vorbekannt, welche aus zwei gegenüberliegenden Elektroden besteht,
die zusammen mit entsprechendem Isoliermaterial zwei nebeneinander
liegende, mit einander in Verbindung stehende Hohlräume verschiedener
Größe begrenzen.
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Der
größere Hohlraum
bildet die Funkenlöschkammer
und die eine Verengung darstellende Verbindungsstelle zwischen beiden
Hohlräumen,
die Überschlaglichtbogenstrecke.
Der kleinere Hohlraum hingegen ist so als Druckreflektionskammer
ausgebildet, dass die durch die reflektierte Druckwelle und die
Gasströmung
hervorgerufene Bewegung des Lichtbogens in gleiche Richtung stattfindet.
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Bei
dem gekapselten Überspannungsableiter
auf Funkenstreckenbasis nach
DE 101 40 950 A1 sind großflächige, gegenüberliegende
scheibenförmige
Elektroden in rotationssymmetrischer Anordnung und ein zwischen
den Elektroden befindlicher Lichtbogenentladungsspalt vorgesehen.
Der Lichtbogenentladungsspalt ist von einer Prallwand mindestens
teilweise umgeben. Gemäß der dortigen
Lehre ist eine erste Prallwand von einer der Elektroden, die Hauptfunkenstrecke überragend,
zur gegenüberliegenden
Elektrode gerichtet angeordnet. Eine zweite Prallwand ist, bezogen
auf den rotationssymmetrischen Aufbau, radial von der ersten Prallwand
nach außen
beabstandet vorgesehen, wobei die vorhandenen Prallwände einen
Mäander
bilden, welcher von der Lichtbogenentladungs-Druckwelle durchlaufen
wird.
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Ganz
allgemein hat sich zur Steigerung des Löschvermögens bzw. auch zur Folgestrombegrenzung
bei Überspannungsableitern
die Beströmung des
Lichtbogens mit Hartgas bewährt.
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Um
den Beblasungseffekt möglichst
optimal zur Folgestromlöschung
umsetzen zu können,
wurden Ableiter mit diesen Funkenstrecken regelmäßig ausblasend ausgeführt.
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Aufgrund
der Tatsache, daß es
notwendig ist, benachbarte Anlagenteile vor dem heißen und
elektrisch leitenden Gasstrahl der Ableiter zu schützen, werden
dem aktiven Bereich der Funkenstrecken Kammern zur Umlenkung und
Abkühlung
der Gase wie es der Stand der Technik zeigt, nachgeschaltet, wobei
diese Kammern die Temperatur der ausgeblasenen Gase unter einen
kritischen Bereich senken. In dem Fall, wenn die Abkühlkammern
vollständig
geschlossen sein sollen, sind beachtliche Volumina notwendig, die über das
eigentliche Volumen des aktiven Teiles des Ableiters deutlich hinausgehen,
was der Eingangs erwähnten
generellen Zielstellung zuwiderläuft.
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Der
große
Druckunterschied im Hoch- und Niederdruckteil der Funkenstrecke
ist systembedingt erforderlich, da zur exakten Funktionsweise der
Ableiter bei Folgestrom ein Druckgefälle zwischen dem aktiven Bereich
und dem Ausblasbereich notwendig ist. Bei Wegfall des Druckgefälles und
damit auch der Strömung
wird die Effizienz der Lichtbogenkühlung deutlich reduziert. Dies
führt unerwünscht zur
Einschränkung
der Leistungsfähigkeit
des Ableiters.
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Das
Druckgefälle
zwischen aktivem Bereich und Kühlkammern
kann bei den Ableitern nach dem Stand der Technik jedoch nur durch
einen vergleichsweise großen
und aufwendig gekühlten
Ausblasraum und gegebenenfalls durch Düsen, welche zur raschen Entspannung
der Gase Verwendung finden, zwischen aktivem Bereich und Kühlkammer,
aufrechterhalten werden. Ziel der Kühlkammern ist demnach nur,
zu erreichen, daß die
dem Gas zugeführte Energie
möglichst
schnell abgebaut wird, um so das notwendige Druckgefälle zwischen
der Lichtbogenkammer und dem Ausblasraum während der gesamten Folgestromlöschung zu
gewährleisten.
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Bei
dem vorgenannten Lösungsansatz
zum Erreichen der gewünschten
Strombegrenzung ist eine beachtliche Gaserzeugung erforderlich,
wodurch entsprechend große
Ausblasvolumen bzw. Kühlkammern
notwendig werden. Die Umsetzung der bisherigen Lösungsansätze wird bei geringen Abmessungen
aber vergleichbaren Leistungsvermögen u.a. dadurch erschwert,
das keine ausreichende Volumen für
Ausblasräume
bzw. Umlenk- und Abkühlräume zur
Verfügung
stehen. Des weiteren reduziert sich auch das Volumen zur Bereitstellung
von Hartgas, welches zur Beströmung
des Lichtbogens notwendig ist. Es stehen bei geringeren Volumen
daher weniger Hartgasreserven zur Verfügung und das Abkühlvolumen
der Ausblasräume
ist begrenzt.
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Bei
einem hohen Hartgasverbrauch reduziert sich daher nicht nur die
Lebensdauer des Ableiters, sondern es droht auch dessen Versagen
bei einer Überlastung
des Abkühlvermögens.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung einen weiterentwickelten
gekapselten, Netzfolgestrom begrenzenden Überspannungsableiter auf Funkenstreckenbasis
für Niederspannungsanwendungen
anzugeben, welcher über
eine effektive Folgestrombegrenzung verfügt, der prinzipiell auch getriggert
aus geführt
werden kann und der über ein
geringes Gesamtvolumen sowie eine hohe Zuverlässigkeit verfügt.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Überspannungsableiter mit den Merkmalen
nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen umfassen.
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Erfindungsgemäß wird zur
Folgestrombegrenzung der Druckaufbau durch den Lichtbogen selbst
sowie durch das Hartgas in dem druckfesten Gehäuse des Ableiters und zusätzlich die
radiale Beströmung
des Lichtbogens in diesem Bereich genutzt. Die Aufrechterhaltung
der für
die Beströmung und
die Verlängerung
des Lichtbogens bei Folgestrom notwendigen Druckdifferenz trotz
geringer Abmessungen und eines geringen Druckabbaus innerhalb des
gesamten Ableiters erfolgt dadurch, daß mindestens eine der beiden
Elektroden zwei unabhängige
Expansionsräume
einschließt,
in denen abwechselnd unterschiedliche Drücke herrschen, welche durch
die Funkenstrecke und insbesondere den Lichtbogen selbst erzeugt
und gesteuert werden und deren Druckdifferenz zur Unterstützung der
gewünschten
Rotationsbewegung und -beblasung mindestens eines Lichtbogenansatzes
genutzt wird.
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Die
Folgestrombegrenzung ist so gestaltet, daß bei den maximal durch die
Funkenstrecke beherrschbaren prospektiven Kurzschlußstrom eine Reduzierung
seines Scheitelwertes auf ein Zwanzigstel oder weniger erfolgt.
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Demnach
besitzt die Kapselung oder das Funkenstreckengehäuse entgegen dem bisher bekannten
Stand der Technik eine im Wesentlichen langgestreckte Quaderform,
wobei im Quader eine Lichtbogenbrennkammer und mindestens zwei separate
Expansionsräume,
jeweils im Wesentlichen sich über
die gesamte Quaderhöhe
erstreckend, gebildet sind.
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Die
Expansionsräume
sind mit der Lichtbogenbrennkammer über Kanäle verbunden und es verlaufen
die Kammern sowie die Expansionsräume im Wesentlichen parallel
zueinander.
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Die
Lichtbogenbrennkammer ist im Kopfbereich von einer der Hauptelektroden
und von einem Isolierteil begrenzt und im gegenüberliegenden Fußbereich
von einem Lichtbogenansatzteil, welches mit der weiteren Hauptelektrode
in Verbindung steht, gebildet. Die Kanäle erstrecken sich seitlich
vom Lichtbogenansatzteil hin zu den vorerwähnten Expansionsräumen.
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In
mindestens einem Kanal und/oder einem Expansionsraum können weitere,
bei Lichtbogenzündung
und Temperaturanstieg Gas abgebende, einen Gegendruck aufbauende
Isolierteile oder Isolier abschnitte vorgesehen sein.
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Die
Lichtbogensäule,
welche sich zwischen dem Kopf- und Fußbereich, d.h. zwischen den
Hauptelektroden und dem vorgesehenen Lichtbogenansatzteil bildet,
führt eine
Fußpunktbewegung
im Bereich des Lichtbogenansatzteiles aus. Diese Fußpunktbewegung
verschließt
abwechselnd einen der Verbindungskanäle zu den Expansionsräumen, so daß sich unterschiedliche
Druck- und Strömungsverhältnisse
jeweils aufbauen.
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Durch
das Isolierteil im Kopfbereich der Lichtbogenbrennkammer kann in
leichter Weise eine Triggerelektrode geführt werden, so daß auch unter diesem
Aspekt die Aufgabenstellung erfüllt
ist.
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Die
Expansionsräume
und die Lichtbogenbrennkammer erstrecken sich im Wesentlichen über die
gesamte Höhe
des quaderförmigen
Körpers.
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Die
Kanäle
verlaufen im Wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse der Brennkammer bzw.
den Expansionsräumen.
Weiterhin können
die Verbindungskanäle
aus einem gasabgebenden Isolierstoff bestehen.
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Der
Quader oder Quaderkörper
weist Hohlräume
auf, die die Lichtbogenbrennkammer und die Expansionsräume sowie
die Kanäle
erfindungsgemäß bilden.
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Es
kann aber auch eine der Hauptelektroden Hohlräume aufweisen, welche mindestens
die Expansionsräume
umfassen, wobei die Expansionsräume
jeweils nahezu das gleiche Volumen wie die Lichtbogenbrennkammer
besitzen.
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Der
Querschnitt der Expansionsräume
ist im Wesentlichen gleich demjenigen der Kanäle und der Lichtbogenbrennkammer.
Die Expansionsräume
sind im Wesentlichen entgegengesetzt der Strömungsrichtung innerhalb der
Lichtbogenbrennkammer orientiert.
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Ausgestaltend
kann der Übergangsbereich zwischen
Lichtbogenbrennkammer und dem jeweiligen Kanal eine Aufweitung besitzen,
um auch bei vollständiger
Ausfüllung
des Brennraumes durch den Lichtbogen bzw. Lichtbogensäule ein
Abströmen
der Gase hinein in einen oder beide der Expansionsräume zu gewährleisten.
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Bevorzugt
besitzen die Innenseiten der Expansionsräume Mittel zur effektiven Gaskühlung. Diese
Mittel können
Kühlplatten,
Kühlbleche
oder aber auch Oberflächenstrukturen,
z.B. nach Art von Noppen umfassen. Auch ist es von Vorteil, wenn
die Expansionsräume
aus Kupfer- oder Kupferlegierungsmaterial bestehen.
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Weiterhin
verfügen
die Expansionsräume über Entlüftungsöffnungen
mit einem kleinen Durchmesser oder Querschnitt zum allmählichen
Druckausgleich zur Umgebung hin.
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Es
besteht bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung die Möglichkeit
in der Kapselung mehrere, elektrisch verschaltbare Lichtbogenbrennkammern
mit jeweils zugeordneten Kanälen
und Expansionsräumen
auszubilden.
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Ebenso
kann eine Lichtbogenbrennkammer als separates Bauteil gefertigt
in eine Kapselung eingebracht werden, welche die Kanäle sowie
die Expansionsräume
enthält
und die Gegenelektrode sowie das Lichtbogenansatzteil bildet.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 – eine Schnittdarstellung
und eine Schnittdraufsicht einer ersten Ausführungsform des Überspannungsableiters
in quaderförmiger
Gestalt;
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2 – eine Anordnung ähnlich derjenigen nach 1 jedoch
mit zusätzlichen
Kühlplatten
oder -stegen innerhalb der Expansionsräume;
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3 – eine Ausführungsform
mit verschiedenen Anordnungen von Brennkammern und Expansionsräumen, die
auch teilweise miteinander bzw. untereinander verbunden sind;
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4 – eine Ausführungsform
des Überspannungsableiters
mit Expansionsräumen,
die sich ausgehend vom Lichtbogenansatzteil sowohl nach oben als
auch nach unten, in den Kopf- und Fußbereich erstrekken;
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5 – einen Überspannungsableiter
mit zwei Lichtbogenbrennräumen,
denen jeweils zwei Expansionsräume
zugeordnet sind, wobei die Möglichkeit
der Verschaltung der Lichtbogenbrennräume besteht und
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6 – eine Schnittdarstellung
durch einen Ableiter, bei dem eine vorgefertigte Funkenstrecke nach
dem Hartgasprinzip in eine Kapselung einschraubbar ist, welche mindestens
Expansionsräume
umfaßt.
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Bei
der Funkenstrecke nach den Figuren, insbesondere 1 wird
von einer Quaderform ausgegangen, die an die üblichen Abmessungen von sogenannten
Reihengehäusen
angepaßt
ist, wobei die Breite und die Höhe
deutlich größer als
die Tiefe gewählt
wird.
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Die
Funkenstrecke besteht in ihrer einfachsten Ausführungsform, d.h. ungetriggert
aus der ersten Hauptelektrode 1, einem ersten Isolierteil 2 und der
zweiten Hauptelektrode 3.
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Die
Hauptelektrode 3 nimmt im Inneren die Lichtbogenbrennkammer 5 auf
und es erstrecken sich zwei Expansionsräume 6 ausgehend von
einem bei Folgestrombelastung bevorzugten Lichtbogenansatzteil 4.
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Bei
einer triggerfähigen
Ausführungsform
ist eine Trigger- oder
Hilfselektrode 7 in das erste Isolierteil 2 integriert.
Das Isolierteil 2 gibt bei Temperaturbelastung durch den
Lichtbogen Löschgas
ab.
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Nach Überschlag
der Isolationsstrecke am Isolierteil 2 zündet der
Lichtbogen entlang der kürzesten
Trennstrecke 8 zwischen den Hauptelektroden 1 und 3.
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Danach
bewegt sich der Lichtbogenfußpunkt auf
der Innenseite der Lichtbogenkammer 5 durch die in Folge
der Lichtbogenzündung
und der zusätzlichen
Gasabgabe durch das Isolierteil 2 entstehenden Druckdifferenz
und der damit einsetzenden Strömung
zwischen der Brennkammer 5 und den Expansionsräumen 6 entlang
des Teiles 3 innerhalb der Brennkammer 5 zum bevorzugten
Lichtbogenansatzbereich, d.h, zum Lichtbogenansatzteil 4 hin.
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Die
mit dem Bezugszeichen 9 erreichte Länge, die dem Abstand der Hauptelektrode 1 zum
Teil 4 entspricht, ist gleich einer Lichtbogenlänge, die über die
nahezu gesamte Lichtbogendauer beibehalten wird.
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Das
Vermögen
der Funkenstrecke zur Begrenzung, Löschung oder sogar zur Vermeidung
von Netzfolgeströmen
steigt mit der Länge
des Lichtbogens, die mit der Modifikation der Länge der Lichtbogenbrennkammer
erreicht werden kann sowie mit der Zeitdauer aber auch der Menge
der Gasabgabe und der Gasart, bevorzugt Wasserstoff, d.h. den Eigenschaften
des ersten Isolierteiles 2. Eine weitere Varianz ist die
Möglichkeit
der Reduzierung des Querschnittes der Lichtbogenbrennkammer 5,
die u.a. eine Erhöhung
der Intensität
der Gasströmung
der Lichtbogenkühlung
und eine Druckerhöhung
in der Brennkammer nach sich zieht, wodurch eine Erhöhung der
Lichtbogenspannung und somit auch der Folgestrombegrenzung erreicht
werden kann.
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Allerdings
ist es nicht wünschenswert
den Querschnitt der Lichtbogenbrennkammer 5 weiter zu reduzieren,
da hiermit eine Verschlechterung der Stoßstromtragfähigkeit einhergeht.
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Aufgrund
der geringen Abmessungen der Lichtbogenkammer und der Expansionsräume, sowie
der angestrebten hohen Lebensdauer ist es sinnvoll die erzeugte
Gasmenge bei der erfindungsgemäßen Funkenstrecke
zu minimieren. Hierzu wird die Länge
bzw. werden die Abmessungen des hartgasabgebenden Materials, vorzugsweise
POM, auf ein Minimum begrenzt und zwar in einem Bereich von Durchmesser
zu Länge
kleiner 1:2.
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Der
innere Querschnitt des Isolierteiles 2 wird bevorzugt kreisförmig gestaltet
und besitzt einen Radius von 1 bis 5 mm. Hierdurch wird sowohl die entstehende
Gasmenge bei Folgestrom als auch bei Stoßströmen reduziert.
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Um
eine Verlängerung
des Lichtbogens und damit einen hohen Leistungsumsatz bei Stoßströmen zu verhindern,
ist es notwendig die Druckdifferenz und damit die Strömung zwischen
der Lichtbogenbrennkammer 5 und den Expansionsräumen 6 zu reduzieren.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß in
die Ex pansionsräume 6 und/oder
in die Verbindungskanäle 10 ebenfalls
hartgasabgebendes Isoliermaterial 15 eingebracht werden
kann. Da die Höhe
der Stoßströme durch
die Funkenstrecke nicht reduziert werden kann, da es sich hier um
einen eingeprägten
Strom handelt, wird bei Stoßstrombelastung
der gesamte Querschnitt des Brennkanals vom Lichtbogen ausgefüllt. Die
Höhe des
Stromes, des Druckes, des Leistungsumsatzes und die Temperatur des
Plasmas betragen ein Vielfaches der Werte im Vergleich zum Folgestrom.
Eine gegenüber
der Folgestrombelastung deutlich größere und stärker erhitzte Gasmenge dringt
somit direkt und schlagartig in die Expansionsräume ein. Als Folge hiervon
wird zusätzlich
Hartgas durch die Teile 15 außerhalb der Brennkammer produziert.
Da das Volumen der Expansionsräume
ohnehin erfindungsgemäß gering
ist, wird innerhalb der kurzen Zeitdauer gegenüber der Brennkammer ein Gegendruck
aufgebaut, wodurch eine lichtbogenverlängernde Strömung zum Erliegen kommt. Hierdurch
kann der Energieumsatz bei Stoßströmen innerhalb
des Ableiters begrenzt werden.
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Durch
geeignete Positionierung, die Vorgabe einer bestimmten Menge und
die Art des gasabgebenden Materials innerhalb der Kanäle 10 bzw.
der Expansionsräume 6 kann
sehr gut gesteuert werden, bei welchen Belastungen und Temperaturen
zusätzlich
Gas abzugeben ist.
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Je
näher das
Hartgas abgebende Material 15 der Lichtbogenbrennkammer 5 positioniert
ist und je niedriger die Temperatur ist, bei welcher das Material zu
Gasen beginnt, desto niedriger sind die Belastungen, bei denen zusätzliches
Gas außerhalb
des Brennraumes frei wird.
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In
dem Falle, wenn die Verbindungskanäle 10 auch aus Gas
abgebenden Isolationsmaterial hergestellt sind, ergibt sich eine bessere
Abtrennung des Brennraumes von den Expansionsräumen 6. Bei einer
weiteren Ausführungsform
können
somit die Expansionsräume 6 und
auch ein Teil des Ableitergehäuses
gegenüber
der Hauptelektrode 3 isoliert werden.
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Bei
Netzfolgeströmen
ist der Leistungseintrag in das Gas und in die Expansionskammern
deutlich geringer, so daß das
Kühlvermögen der
Expansionskammern 6 ausreicht, um eine Abgabe von Hartgas,
wie sie bei Stoßströmen auftritt,
innerhalb der Expansionsräume 6 bzw.
der Verbindungskanäle 10 zu
unterbinden.
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Die
bei Stoßströmen positiven
Auswirkungen der Verkürzung
bzw. Begrenzung der Lichtbogenlänge
und damit des Energieumsatzes würden
jedoch bei Folgestrom zu einem weniger stark beströmten und
gekühlten
Lichtbogen führen.
Ein verschlechtertes Folgestromlöschvermögen wäre die unmittelbare Folge.
Die Verlängerung
des Lichtbogens zur Kompensation ist bei wünschenswert reduzierten Abmessungen
ebenfalls nur begrenzt möglich.
Um dennoch das angestrebte starke strombegrenzende Löschvermögen zu erreichen,
muß die
Lichtbogenbrennspannung durch einen stärkeren und rascheren Druckaufbau
innerhalb der Brennkammer erhöht
werden. Dies ist jedoch in einfacher Weise durch ein geringeres Volumen
der Brennkammer und der Expansionsräume realisierbar.
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Dies
und das relativ geringe zur Verfügung stehende
Volumen der Funkenstrecken insbesondere der Expansionsräume 6 sowie
die Vermeidung der Abgabe von heißen ionisierten Gasen und damit
einem Großteil
an Energien durch die angestrebte Kapselung führen dazu, daß durch
eine zu starke Druckangleichung zwischen Brennkammer und Expansionsraum
und eventuell auch unterstützt
durch Druckreflektion, die zur Kühlung
und Verlängerung des
Lichtbogens notwendige Gasströmung
sehr stark unterbunden wird oder völlig zum Erliegen kommt. Dies
führt dann
durch mangelnde Kühlung, durch
Reduzierung der Lichtbogenlänge
oder durch Festbrennen des Lichtbogens zur Senkung der Bogenbrennspannung
und damit zum möglichen
Versagen der Funkenstrecke.
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Um
derartige Folgen zu vermeiden, ist es selbst bei extrem geringen
Volumen und hohen Drücken
innerhalb der Funkenstrecken notwendig, bei Folgestrom eine so hohe
Druckdifferenz zwischen Brennraum und Expansionsraum zu gewährleisten, daß eine kontinuierliche
Beströmung
des Lichtbogens realisiert wird.
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Zum
o. g. Ziel werden erfindungsgemäß die erwähnten unabhängigen Expansionsräume 6,
die z.B. innerhalb der Hauptelektrode 3 anordenbar sind, genutzt.
Damit eine für
die Verlängerung
und Kühlung
notwendige Gasströmung
unter den vorgenannten Bedingungen aufrecht erhalten werden kann, werden
die mindestens zwei, im Idealfall nahezu gleichgroßen Expansionsräume in eine
Elektrode eingebettet, welche gleichzeitig wesentlicher Bestandteil
des Gehäuses
oder der Kapselung des Ableiters ist. Die Expansionsräume haben
nahezu das gleiche Volumen wie der aktive Bereich des Ableiters, nämlich die
Lichtbogenbrennkammer. Innerhalb der Expansionsräume erfolgt in der bevorzugten
Ausführungsform
nach 1 keine nennenswerte Aufweitung oder Reduzierung
des Querschnittes gegenüber den
Kanälen 10 und
hin zum Lichtbogenbrennraum bzw. der Brennkammer 5. Das
heißt,
auch der Querschnitt der Expansionsräume entspricht in etwa demjenigen
der Lichtbogenbrennkammer 5.
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Es
sind hier allerdings auch Ausgestaltungsvarianten denkbar, bei denen
eine ausschließliche Reduzierung
des Querschnittes der Lichtbogenbrennkammer 5 zur drastischen
Folgestrombegren zung bzw. -vermeidung angestrebt wird oder auch
bei einer höheren
Anzahl von Expansionsräumen
besteht die Möglichkeit
das Verhältnis
der Volumina und der Querschnitte der Lichtbogenbrennkammer 5 zu den
Expansionsräumen 6 anders
zu gestalten, z.B. höher
als 2 jedoch kleiner als 20.
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Wie
in der 1 erkennbar, sind die Expansionsräume 6 mit
der Lichtbogenbrennkammer auf der Ebene des bevorzugten Lichtbogenfußpunktes, nämlich am
Lichtbogenansatzteil mit jeweils einem Kanal 10 verbunden,
dessen Querschnitt nur gering vom Querschnitt der Lichtbogenbrennkammer 5 abweicht,
um eine ungewollte Druckreflektion und Düsenbildung oder aber auch eine
Düsenverstopfung bei
zu geringer Belastung zu vermeiden. Die Kanäle 10 bei zwei Expansionsräumen befinden
sich in der gleichen Ebene und liegen einander gegenüber. Weiterhin
sind die Expansionsräume
so gestaltet, daß sie sich
bevorzugt entgegengesetzt zur Strömungsrichtung innerhalb der
Lichtbogenbrennkammer 5 erstrecken.
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Nach
der Zündung
des Lichtbogens wird, wie dargestellt, durch den rasch entstehenden Überdruck der
Lichtbogen entlang der Hauptelektrode 3 bis hin zum Lichtbogenansatzteil 4 verlängert. Das
erhitzte Gas strömt
in die Expansionsräume 6 und
bewirkt im Gegensatz zu bekannten Lösungen sehr rasch auch einen
beachtlichen Druckanstieg innerhalb dieser Teilräume, welcher nur noch minimal
vom Druck innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 abweicht. Dieser
Druck wirkt nun wiederum auf das Abströmverhalten aus der Lichtbogenbrennkammer 5 zurück. Um einen
vollständigen
Druckausgleich, durch welchen wie oben gezeigt, die notwendige Gasströmung zum
Erliegen kommt und wodurch die Funkenstrecke infolge der damit verbundenen
drastischen Reduzierung der Bogenbrennspannung ihr Vermögen zur Strombegren zung
nahezu verlieren würde,
zu vermeiden, wird die Spezifik der Fußpunktbewegung von Lichtbögen und
weiterhin die Vorteile der unabhängigen
Expansionskammern genutzt.
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Der
Lichtbogenfußpunkt
und somit auch der Lichtbogen bewegt sich kontinuierlich im bevorzugten
Bereich des Teiles 4. Hierdurch ergibt sich das prinzipielle
Verhalten, daß bei
den gewählten
geringen Durchmessern der Kanäle 10 von
wenigen Millimetern diese wechselseitig durch die Bogensäule bei Netzfolgeströmen vollständig bzw.
teilweise verschlossen werden. Hierdurch wird die Gaszufuhr aus der
Lichtbogenbrennkammer 5 in den jeweiligen Expansionsraum 6 wechselseitig
unterbrochen bzw. unterschiedlich stark eingeschränkt. Dies
führt nun
dazu, daß sich
der Druck durch die Abkühlung
der Gase innerhalb des verschlossenen Expansionsraumes gegenüber der
anderen Expansionskammer 6, in welcher weiterhin eine uneingeschränkte Gaszufuhr erfolgt
und insbesondere gegenüber
der Lichtbogenbrennkammer reduziert.
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Zur
Unterstützung
des unterschiedlichen Einströmverhaltens
der Kammern können
die Einlaßöffnungen
der Kanäle 10 zwischen
Lichtbogenbrennkammer 5 und den Expansionsräumen 6 so
aufgeweitet oder ausgestaltet werden, daß ein Abströmen der Gase auch bei nahezu
vollständiger
Ausfüllung der
Lichtbogenbrennkammer durch den Lichtbogen bei Folgestrombelastungen
gewährleistet
bleibt.
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Die
wechselnden Druckverhältnisse
im Bereich des Teiles 4 bzw. die Spezifik der Lichtbogenfußpunktbewegung
führen
zur Freigabe des jeweiligen Abströmkanals 10 in den
Raum mit reduzierten Druck. Hierdurch wird der weitere oder andere
Expansionsraum entlastet bzw. verschlossen, wodurch sich nun in
diesem der Druck reduzieren kann. Der unterschiedliche Druck zwischen
den Expansionsräumen 6 kann
bei einer kurzzeitigen Freigabe beider (Abström)Kanäle 10 auch zu einer
Strömung
zwischen den Expansionsräumen 6 selbst
führen,
wodurch die Fußpunktbewegung
bzw. die Lichtbogenrotation im Bereich des Teiles 4 unterstützt ist.
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Durch
die wechselnden Druckverhältnisse
in den Expansionsräumen
kann sowohl die Strömung im
Brennkanal als auch eine kontinuierliche Bogenbewegung trotz extrem
hoher Drücke
in der Brennkammer und den Expansionsräumen im Bereich von bis über 100
bar sichergestellt werden und somit bis zu größten Folgeströmen eine
Verstopfung der Kanäle
vermieden werden. Die Druckdifferenz zwischen Brennraum und den
Expansionsräumen
beträgt
bei der Lösung
nach Ausführungsbeispiel
bevorzugt nur wenige Prozent bzw. bar. Der Druck in den Expansionsräumen entspricht
jedoch mindestens 50 % des mittleren Druckes, welcher innerhalb
der Lichtbogenbrennkammer herrscht.
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Damit
wird gewährleistet,
daß die
unabhängigen
Expansionsräume 6 über unterschiedliche
Drücke
verfügen
und das deren Druck trotz ihrer geringen Größe stets unterhalb des Druckes
innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 liegt, wodurch sichergestellt
ist, daß eine
kontinuierliche Strömung
und damit das Funktionsprinzip der Funkenstrecke für die Netzfolgestromunterbrechung
aufrecht erhalten werden kann.
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Da
die Zeitdauer für
die Abkühlung
der Gase in den Expansionsräumen,
d.h. die Verweilzeit nur wenige Mikrosekunden aufgrund der schnellen
Fußpunktbewegung
beträgt
und die Druckdifferenz für mehrere
Millisekunden bei Folgeströmen
aufrechterhalten werden muß,
ist es notwendig, die Gase innerhalb der Expansionsräume trotz
des geringen Volumens effektiv zu kühlen. Als Material hierfür wird insbesondere
Kupfer oder dessen Legierungen eingesetzt. Zusätzlich kann die Oberfläche der
Expansionsräume
durch Aufrauhung, Rillen, Erhebungen, Kühlplatten o.ä. vergrößert werden.
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Der
Einsatz derartiger Materialien mit geringerer Lichtbogenresistenz
wird möglich,
da der stromführende
Teil des Lichtbogens sich nicht über den
Bereich in der Nähe
des Teiles 4 hinaus in die Expansionsräume der in diesem Fall zusammengesetzten
Hauptelektrode 3 ausbreitet.
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Die
Expansionsräume 6 weisen
zeichnerisch nicht dargestellte Druckausgleichsöffnungen kleinen Querschnittes
auf, die für
einen allmählichen
Druckausgleich Sorge tragen, wodurch ein reproduzierbares Ansprechverhalten
der Funkenstrecke nach deren Belastung gewährleistet ist.
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Die
Funkenstrecke gemäß Ausführungsbeispiel
verfügt
trotz ihres hohen Vermögens
zur Folgestrombegrenzung und einer hohen Stoßstromtragfähigkeit über einen geringen Verschleiß. Es wird
eine vergleichsweise geringe Menge an Hartgas zur Erzeugung eines
hohen Brennraumdruckes und einer hohen Lichtbogenspannung benötigt, wodurch
der Abbrand des gasabgebenden Isolierteiles 2 begrenzt bleibt.
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Die
verstärkte
Beströmung
und damit Bewegung des Lichtbogens aufgrund der Druckdifferenzen innerhalb
aller Räume
führt zu
einem geringerem Abbrand in der Lichtbogenbrennkammer 5 (Hauptelektrode 1, 3;
Isolierteil 2) aber auch im Bereich des Lichtbogenansatzteiles 4.
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Gemäß 1 wird
die erste Hauptelektrode 1 in die zweite Hauptelektrode 3 isoliert
eingebracht. Hierfür
findet das Isolierteil 2 Verwendung. Das Isolierteil 2 besteht
aus einem Material, welches unter Lichtbogeneinwirkung Hartgas abgibt.
Zur Verkürzung
des Überschlagsweges
kann das Isolierteil 2 auch aus einer Schichtung von isolierenden
Teilen und elektrisch halbleitenden bzw. leitenden Teilen bestehen.
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Wie
bereits erwähnt,
kann innerhalb des Isolierteiles 2 zusätzlich, isoliert gegenüber den
Hauptelektroden 1 und 3 eine weitere Hilfselektrode 7 eingebracht
werden, welche zur gezielten externen Triggerung des Ableiters verwendet
wird.
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Gemäß 1 beinhaltet
die Hauptelektrode 3 die beiden Expansionsräume 6 und
die Lichtbogenbrennkammer 5. Die Elektrode 3 kann
dabei vollständig
aus lichtbogenbeständigen
Material, wie z.B. Wolfram/Kupfer-, Chrom/Stahl-Legierungen, Graphit oder Ähnlichem
aufgebaut werden bzw. aus Kostengründen nur partiell im Brennraum 5 und
im Bereich des Teiles 4 aus einem solchen Material bestehen. Der
Bereich des Teiles 4 ist gegenüber den umgebenden Elektrodenbereich
hin zum Kopf, d.h. zur gegenüberliegenden
Hauptelektrode 1 erhaben ausgeführt. Innerhalb der Expansionsräume 6 aber
auch innerhalb der Kanäle 10 kann
bei Bedarf zur Begrenzung des Energieumsatzes bei Stoßströmen hartgasabgebendes
Material 15 angeordnet werden.
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Bei
der 2 ist eine ähnliche
Anordnung wie in 1 gezeigt, wobei jedoch die
Expansionsräume 6 mit
einer Auswahl verschiedener Möglichkeiten
zur Anbringung von Kühlplatten 11 oder
-stegen 12 versehen sind. Ziel dieser Mittel ist es ein möglichst
großes
Verhältnis
von Oberfläche
zu Volumen des Kühlkörpers bei
maximaler Volumenausnutzung zu schaffen.
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In
der Draufsicht verschiedener Anordnungen von Brennkammern 5 und
Expansionsräumen 6 nach 3 werden
Gestaltungsmöglichkeiten
offenbart, bei denen die Expansionsräume auch mindestens teilweise
miteinander oder untereinander verbindbar sind.
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Die
Schnittdarstellung eines Überspannungsableiters
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
nach 4 offenbart Expansionsräume, die sich bezogen auf das
Lichtbogenansatzteil 4 in der Elektrode sowohl nach oben
als auch nach unten, d.h. zum Kopf- und Fußbereich hin erstrecken.
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Bei
entsprechender Gestaltung sind auch Anordnungen denkbar, bei denen
sich der Expansionsraum vorwiegend nur auf der Höhe des Lichtbogenfußpunktes
um die Lichtbogenbrennkammer, z.B. in koaxialer Form oder in Segmenten
erstreckt.
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5 zeigt
einen Ableiter, bei dem zwei Lichtbogenbrennräume mit je zwei Expansionsräumen korrespondieren.
Die Lichtbogenbrennräume oder
Lichtbogenbrennnkammern 5.1 und 5.2 können elektrisch
verschalten werden. Je nach Verschaltung der Lichtbogenbrennkammern
kann die Stoßstromtragfähigkeit
(Parallelschaltung) oder die Folgestrombegrenzung auch bei höheren Spannungen
(Reihenschaltung) verbessert werden. 5 stellt
nur ein Beispiel einer höheren
Anzahl von Brennräumen bzw.
Lichtbogenbrennkammern dar, daß nicht
den Erfindungsgedanken begrenzend zu interpretieren ist. In ähnlicher
Weise sind auch Anordnungen für eine
drehstromgerechte Verschaltung der einzelnen Ableiterpfade realisierbar.
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Bei
der Ausführungsform
nach 6 ist ein Ableiter gezeigt, bei dem eine vorgefertigte
Funkenstrecke 13 nach dem Hartgasprinzip in ein ebenfalls vorgefertigtes
oder vorfertigbares Gehäuse 14 eingeschraubt
wird. Dieses Gehäuse 14 umfaßt mindestens
die beschriebenen Expansionsräume 6 und
im gezeigten Beispiel auch das Lichtbogenansatzteil 4 für den Lichtbogenfußpunkt.