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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz vor Blitzen und Überspannungen
mit zwei Elektroden, die beide Stirnflächen eines Zylinders aus isolierendem
Material gasdicht verschließen
und im Innern der so gebildeten Kammer einen Entladungsraum definieren,
sowie ein Modul mit diesen Vorrichtungen.
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Derartige
Vorrichtungen sind u. a. als Blitz- und/oder Überspannungsschutz im Hauptstromversorgungssystem
baulicher Anlagen, bei dem die Aussenleiter über je einen Blitzstromableiter
mit dem Neutralleiter verbunden sind, vorgesehen. Eine derartige
Vorrichtung wird auch als Funkenstreckenanordnung oder Ableiteranordnung
bezeichnet.
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Ein
Ableiter dient zur Vermeidung von Gefahren für Lebewesen, von Anlagen- und
Geräteschäden sowie
von Bränden.
Aufgabe des Blitz- und Überspannungsschutzes
ist die Herabsetzung von Überspannungen
auf einen Schutzpegel von 1,5 kV und Ableitung starker Impulsströme bis zu
50 kA. Dabei sind Stichflammen und Druckwellen zu vermeiden, um
einen Einbau in typische Einrichtungen ohne Beachtung besonderer
Sicherheitsabstände
und passiver Brandschutzmaßnahmen
zu ermöglichen. Das
Löschvermögen und
die Begrenzung des netzfrequenten Folgestroms müssen so ausgelegt sein, dass
Hausanschlusssicherungen nicht auslösen. Schließlich ist eine Kompatibilität zu standardisierten Montagesystemen
und eine Unempfindlichkeit gegenüber
klimatischen Einflüssen
und Verschmutzung gefordert.
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Typische
Kenndaten derartiger Blitz- und Überspannungsschutzvorrichtungen
sind: eine Ansprechgleichspannung Uag > 600 V, eine Ansprechstoßspannung
uas ≤ 1,5
kV bei einem Spannungsanstieg von 5 kV/μs, ein Nenn-Stoßstrom iSN von 50 kA bei Norm-Stoßstromverläufen von 8/20 μs und 10/350 μs und jeweils
15-facher Beanspruchung sowie ein netzfrequenter Folgestrom ≤ 50 kA.
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Beim
Ansprechen eines Ableiters entsteht ein Lichtbogen, der Verbrennungsprodukte
erzeugt, die sich als leitfähige
Bedampfung auf dem Innenzylinder der Keramik bzw. des isolierenden
Materials niederschlagen können
und einen Isolationsfehler bewirken.
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Zur
Erfüllung
der Schutzfunktion ist eine niedrige dynamische Ansprechspannung
gefordert. Für
das gesamte Bauelement liegt der geforderte Wert bei 1500 V, wenn
eine rampenförmig
mit 5 kV/μs ansteigende
Spannung angelegt wird. Für
einen einzelnen Ableiter bedeuten dieser Schutzpegel und die übrigen Kenndaten,
dass Zündhilfen
eingesetzt werden müssen.
Ein Weg zur Verbesserung des Zündverhaltens
ist die Einbringung eines Zündstriches,
z. B. aus Graphit, der Primärladungsträger bereitstellt, das
elektrische Feld verzerrt und über
eine Gleitentladung entlang der Keramikoberfläche der Innenwand des Zylinders
das dynamische Zündverhalten verbessert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der Eingangs
genannten Art anzugeben, mit der die geforderten Kenndaten erreicht oder übertroffen
werden können.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Ausgestaltungen
der Erfindung sind in Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die
Vorrichtung zum Schutz vor Blitzen und Überspannungen sieht zwei Elektroden
vor, die beide Stirnflächen
des Zylinders aus isolierendem Material, insbesondere aus Aluminiumoxid-Keramik,
gasdicht verschließen
und im Innern der so gebildeten Kammer einen Entladungsraum definieren.
Innerhalb der Kammer ist im Kontaktbereich zumindest einer der Elektroden
und des Zylinders wenigstens eine Abstufung derart vorgesehen ist,
dass sich die Kammer bis über
die Innenwand des Zylinders hinaus erstreckt.
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Die
Elektroden sind bevorzugt aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Die
Kammer ist der gesamte gasgefüllte
Innenraum, der sich nach dem Verlöten bzw. Verschließen des
Zylinders mit den Elektroden ergibt. Der Entladungsraum ist grundsätzlich der Kammerbereich,
jedoch wird eine energiereiche Entladung zum Schutz vor Blitzen
und Überspannungen in
einer Entladungsstrecke erfolgen, die zwischen zueinander mit geringem
Abstand zugewandten Elektrodenoberflächen, insbesondere im zentralen
Bereich der Vorrichtung, gebildet wird. Als Kontaktbereich ist der
Bereich der Stirnseite des Zylinders bezeichnet, an dem grundsätzlich der
Zylinder mit der Elektrode verbunden bzw. verlötet werden kann. Der Kontaktbereich
erstreckt sich demnach wenigstens über die Dicke der Innenwand
des Zylinders.
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Durch
die Abstufung verlängert
sich die Isolationsstrecke zur jeweiligen Elektrode hin zumindest um
die Länge
und Höhe
der Abstufung. Dadurch wird auch bei wiederholten Stoß- und Folgestrombelastungen
ein hohes Isolationsniveau der Vorrichtung bzw. des Ableiters während der
gesamten Lebensdauer erreicht.
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Es
ist vorgesehen, dass die Abstufung in der stirnseitigen Innenwand
des Zylinders angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend ist
die Abstufung in zumindest einer der Elektroden angeordnet.
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Zündhilfen,
insbesondere wie Zündstriche aus
Graphit, die auf der Innenwand des Zylinders aufgebracht sind und
die sich in einer Ausführungsform
bis auf die stirnseitige Innenwand des Zylinders erstrecken, verbessern
das Zündverhalten
und die Belastbarkeit der Vorrichtung bzw. des Ableiters. Die Zündhilfe
verbessert das dynamische Zündverhalten des
Ableiters, indem sie insbesondere Primärladungsträger bereit stellt, das elektrische
Feld verzerrt und eine Gleitentladung entlang der Oberfläche des Keramikzylinders
verbessern.
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Alternativ
oder ergänzend
ist an Zündhilfen vorgesehen,
dass die Elektroden mit einer Aktivierungsmasse bepastet sind, die
das Zündverhalten ebenfalls
verbessern.
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Weiter
verbessern lassen sich die Zündeigenschaften
der Vorrichtung, wenn sich die Zündhilfen
auf der Innenwand des Zylinders bis auf die Abstufung in der stirnseitigen
Innenwand des Zylinders erstrecken. Dadurch lässt sich der Abstand des Endes
der Zündstriche
zu den metallischen Elektroden (Restisolation) einstellen und so
gering halten, dass die Funktion des Zündstriches optimiert ist. Insbesondere
ist in einer Ausführungsform
vorgesehen, dass die Zündhilfen
im Übergangsbereich
von der Innenwand zu der stirnseitigen Innenwand des Zylinders verbreitert
sind.
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Weitere
Variationen der Geometrie des Zündstrichs
sind so vorgesehen, dass sie das dynamische Zündverhalten des Ableiters weiter
verbessern.
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In
einer Ausführungsform
sind die so gebildeten Zündstriche
im Abstand von 45° über den
Innenumfang des Zylinders verteilt.
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Die
Vorrichtung ist so konstruiert, dass sie zur Stapelung mehrerer
gleichartiger Vorrichtungen stapelbar ausgebildet ist. Dadurch lassen
sich in einfacher Weise Module mit mehreren Vorrichtungen aufbauen,
die einzeln austauschbar sind und unterschiedliche Ansprechspannungen
haben können.
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In
einer Ausführungsform
weist zumindest eine der Elektroden sowohl einen napfförmigen Bereich
als auch einen sickenförmigen
Bereich auf, die sich in Längsachsenrichtung
der Vorrichtung jeweils beiderseits der Ebene der Kontaktfläche des
Zylinders und der Elektrode erstrecken. Das ermöglicht eine besonders effiziente
Stapelung, weil die mittlere Elektrode zweier Ableiter nur einmal
vorhanden sein muss, aber beiden Ableitern als Elektrode zur Verfügung steht.
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In
einer Ausführungsform
ist der Ableiter so ausgebildet, dass die Elektroden an der Querachse der
Vorrichtung gespiegelt sind. Das ermöglicht eine effiziente Stapelung
mit geringen Abmessungen des so gebildeten Moduls.
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Bei
einem Modul sind mehreren Vorrichtungen bzw. Ableiter in Reihe geschaltet.
Besonders platzsparend ist es, wenn zwei in Reihe geschaltete Vorrichtungen
eine mittlere gemeinsame Elektrode aufweisen, die als eine der beiden
Elektroden jeder der zwei Vorrichtungen ausgebildet ist.
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Die
Eigenschaften eines Moduls aus in Serie geschalteten Ableitern lassen
sich optimieren, wenn parallel zu mindestens einem Teil der in Reihe
geschalteten Vorrichtungen ein Varistor geschaltet ist. Bedarfsweise
können
auch mehrere Varistoren zu Kombinationen von Ableitern parallel
geschaltet sein.
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In
einer Ausführungsform
des Moduls sind mehrere Ableiter mit unterschiedlicher Ansprechspannung
in Reihe geschaltet.
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Die
Verwendung eines oder mehrerer Ableiter mit einem hermetisch abgeschlossenen
gasgefüllten
Gehäuse
ermöglicht
die Vermeidung von Stichflammen oder Druckwellen.
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Eine
Reihenschaltung mehrerer Ableiter unterschiedlicher Charakteristik
in einem Modul ermöglicht
die Beherrschung der geforderten Ansprechgleichspannung, der Ansprechstoßspannung
und des netzfrequenten Folgestroms. Eine zusätzliche Beschaltung mehrerer
Elemente der Reihenschaltung mit einem parallel dazu angeordneten
Varistor begünstigt
das Verhalten bei Beanspruchung mit der geforderten Ansprechgleichspannung
und der Ansprechstoßspannung.
Die hohe Lichtbogenspannung der Einzelableiter begrenzt den netzfrequenten
Folgestrom.
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Durch
die hohe Wärmekapazität der Anordnung,
insbesondere bei Verwendung von Kupferelektroden, und die gute Wärmeleitfähigkeit
des Füllgases
wird der Lichtbogen effizient gekühlt und das Löschverhalten
verbessert.
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Ein
Modul umfasst in einer praktischen Ausführungsform eine Haltevorrichtung
mit zwei beidseits des Moduls angeordneten elektrisch leitfähigen Haltern,
die durch Abstandsisolatoren verbunden sind und das Modul klemmen.
Die mögliche
niedrige Bauhöhe
eines Ableiters und auch einer Reihenschaltung von Ableitern in
einem Modul, die bedarfsweise zwischen Kontaktelemente geklemmt
wird, vereinfacht die Montage der Vorrichtung.
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Der
Aufbau eines Ableiters und die Möglichkeit
eines modularen Aufbaus mehrerer Ableiter ermöglicht eine Optimierung der
Vorrichtung. Die Verwendung und die Gestaltung von Zündstrichen
unterstützt
das definierte Ansprechen der Vorrichtung.
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Die
Kombination von Ableitern mit Varistoren einen verbesserten Schutz
der zu schützenden
Anlage.
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Die
oben beschriebenen Gegenstände
werden anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Die
nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu
aufzufassen. Vielmehr können
zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert
oder auch verzerrt dargestellt sein. Elemente, die einander gleichen oder
die die gleichen Funktionen übernehmen,
sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1a zeigt einen Ableiter mit einer Abstufung
in dem Zylinder aus isolierendem Material,
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1a zeigt einen Ableiter mit einer Abstufung
in jeder der beiden Elektroden,
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1c zeigt einen isolierenden Zylinder mit einer
Abstufung und Zündstrichen
auf der Innenwand und der Abstufung,
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1d zeigt den Zylinder gemäß 1c in perspektivischer Darstellung,
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2 zeigt
ein erstes Modul mit einer Reihenschaltung gestapelter Ableiter,
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3 zeigt
ein zweites Modul mit einer Reihenschaltung gestapelter Ableiter,
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4a–c
zeigt Ersatzschaltbilder von Modulen mit Varistoren, die parallel
zu Ableitern liegen und
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5 zeigt
ein drittes Modul mit einem Varistor in einer Klemmhalterung.
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Ein
Ableiter gemäß 1a enthält ein Gehäuse, das aus einem Zylinder 1 aus
isolierendem Material, z. B. einer Keramik aus Al2O3, und zwei Elektroden 2, 3,
insbesondere mit vorteilhaften Fließeigenschaften und hoher Wärmeleitfähigkeit,
z. B. aus Kupfer, gebildet ist. Die Elektroden sind insbesondere
symmetrisch. Im Innern der durch das Gehäuse gebildeten Kammer 7 befindet
sich der Entladungsraum. Durch eine Abstufung 4 in der
Keramik wird auch bei wiederholten Stoß- und Folgestrombelastungen
ein ausreichend hohes Isolationsniveau des Ableiters über seine
gesamte Lebensdauer gewährleistet.
Die Abstufung verlängert
die wandseitige Isolationsstrecke zwischen den Elektroden.
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Gemäß 1b enthält als anderes Ausführungsbeispiel
eines Ableiters ein Gehäuse,
das aus einem Zylinder 11 aus isolierendem Material, z.
B. einer Keramik aus Al2O3,
und zwei Elektroden 21, 31, insbesondere mit vorteilhaften
Fließeigenschaften und
hoher Wärmeleitfähigkeit,
z. B. aus Kupfer, gebildet ist. Die Elektroden sind insbesondere
symmetrisch. Im Innern der durch das Gehäuse gebildeten Kammer 71 ist
der Entladungsraum. Durch jeweils eine Abstufung 41 in
den Elektroden wird auch bei wiederholten Stoß- und Folgestrombelastungen
ein ausreichend hohes Isolationsniveau des Ableiters über seine
gesamte Lebensdauer gewährleistet.
Die Abstufung verlängert
die wandseitige Isolationsstrecke zwischen den Elektroden.
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Gemäß 1a und 1b hat
ein Ableiter einen Außendurchmesser
D von z. B. 30 mm und eine Höhe
H von z. B. 3 mm oder 4 mm.
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Die
Stufe 4 in der Keramik oder 41 in den Elektroden
verhindert eine durchgängige
Bedampfungsschicht bei einer Lichtbogenentladung im Ableiter und
damit Isolationsprobleme des Ableiters, die zu einer reduzierten
oder unbrauchbaren Funktion führen
können.
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Durch
die Verwendung von Zündstrichen 5 bzw. 51 auf
der Innenfläche
des Gehäuses
und einer Bepastung der Elektroden mit einer Aktivierungsmasse können das
Zündverhalten
und die Belastbarkeit des Ableiters weiter optimiert werden.
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Für die Funktion
der Vorrichtung bzw. des Zündstriches
jedes Ableiters ist dabei der Abstand des Zündstrichs zu den metallischen
Elektroden des Ableiters wichtig. Bei einer Ausführungsform gemäß 1a ist bevorzugt eine Formgebung des Zündstrichs
bis in die Stufe in der Keramik vorteilhaft, da sie die Anbindung
der Zündstriche
verbessert. Der Weg vom Zündstrichende
zu den Elektroden lässt sich
dadurch optimieren.
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1c zeigt die Zündstriche 52 auf der
Innenwand des Zylinders und der Abstufung 4 im Detail und
perspektivisch, 1d. Im Kantenbereich
zwischen der Innenwand des Zylinders und der Abstufung 4 sind
die Zündstriche
verbreitert. Andere Zündstrichgeometrien
sind selbstverständlich
vorgesehen. Eine Metallisierung 6 ist für die Verschlusslötung mit
einer der Elektroden auf einen Teil der Stirnseite des Zylinders
aufgebracht.
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Nach
der Verschlusslötung,
bei der vorteilhaft ein Gasgemisch hoher Wärmeleitfähigkeit und druckabhängig leicht
einstellbarer Durchschlagsfestigkeit, z. B. Ar-/H2-/Ne-Gemische) verwendet
wird, liegt ein hermetisch dicht gasgefüllter Ableiter mit definiert
eingestellten statischen und dynamischen Zündeigenschaften und einer hohen
Lichtbogenspannung vor.
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Um
Schutz vor höheren
Spannungen und Blitzen zu erhalten, werden bevorzugt mehrere der gemäß 1a oder 1b ausgebildeten
Ableiter in Reihe geschaltet und bilden ein Modul. Zur Optimierung
des Bauvolumens und des Fertigungsprozesses sind weitere Ausführungsbeispiele
gemäß 2 oder 3 vorgesehen,
in denen die Isolierkeramiken 12, 14, 16 und 18 gegenüber den
Elektroden 22, 32 bzw. die Elektroden 23a, 23b gegenüber den
Isolierkeramiken 13, 15 und 17 abgestuft
sind.
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Gemäß 2 und 3 weist
zumindest eine der Elektroden sowohl einen napfförmigen Bereich 25, 35 bzw. 27, 28 als
auch einen sickenförmigen
Bereich 24, 34 bzw. 26 auf, die sich
in Längsachsenrichtung
der Vorrichtung jeweils beiderseits der Ebene der Kontaktfläche des
Zylinders und der Elektrode erstrecken. Das ermöglicht eine besonders effiziente
Stapelung, weil die mittlere Elektrode 25 bzw. 28 zweier
Ableiter nur einmal vorhanden sein muss, aber beiden zugeordneten
Ableitern als Elektrode zur Verfügung
steht.
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Die
Ableiter sind so ausgebildet, dass die Elektroden an der Querachse
der Vorrichtung gespiegelt sind. Das ermöglicht eine effiziente Stapelung
mit geringen Abmessungen des so gebildeten Moduls.
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Bei
den Modulen gemäß 2 bzw. 3 sind
mehrere Vorrichtungen bzw. Ableiter in Reihe geschaltet. Besonders
platzsparend ist es, wenn zwei in Reihe geschaltete Vorrichtungen
eine mittlere gemeinsame Elektrode aufweisen, die als eine der beiden
Elektroden jeder der zwei Vorrichtungen ausgebildet ist.
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Die
Gesamtanordnung besteht gemäß 4 aus einer Reihenschaltung einzelner
Ableiter FS200 und FS600 mit gleichen (FS200) oder unterschiedlichen
Eigenschaften, z. B. mit Ansprechgleichspannungen von 200 V oder
600 V. Eine äußere Beschaltung
verschiedener Teilstrecken ist vorteilhaft. Diese Beschaltung erfolgt
bevorzugt mit Varistoren V1, V2, V3. Sie kann aber auch in anderer
Weise mit dem Ziel realisiert werden, bei dynamischer Belastung
einen schnellen Potentialanstieg an einem oder mehreren Einzelableiter
zu erreichen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
aus 6 Elementen FS200 mit Uag = 200 V und
einem Element FS600 mit Uag = 600 V in Kombination
mit zwei Varistoren V1 mit 250 V und V2 mit 420 V zeigt 4a. 4b zeigt
die gleiche Ableiteranordnung wie 4a,
jedoch mit zwei Varistoren V3 zu je 200 V, die jeweils parallel
zu drei seriell geschalteten Ableitern FS200 und zueinander in Serie
geschaltet sind. 4c zeigt die gleiche Ableiteranordnung
wie 4a, jedoch mit einem Varistor
V2 mit 420 V, der parallel zu den sechs Ableitern FS200 geschaltet
ist.
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Die
Reihenschaltung von Einzelableitern FS200 und FS600, die vorzugsweise
durch eine Klemmung in einem elektrisch leitfähigen, zangenförmigen Halter 61, 62, 63 unter
Beachtung der Montierbarkeit in standardisierten Schienensystemen
realisiert wird, zeigt 5. Die Halter 61 und 63 sind durch
Abstandshalter voneinander isoliert. Parallel zu den Ableitern FS200
ist ein Varistor V geschaltet.
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Die
Klemmung ermöglicht
die einfache Anpassung der elektrischen Eigenschaften an den Anwendungsfall,
indem einzelne Ableiter variiert oder ausgetauscht werden können und
eine äußere Beschaltung
verschiedener Teilstrecken vorgenommen werden kann. Diese Beschaltung
erfolgt bevorzugt mit Varistoren, kann aber auch in anderer Weise
mit dem Ziel realisiert werden, bei dynamischer Belastung einen
schnellen Potentialanstieg an einem oder mehreren Einzelableiter
zu erreichen.