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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abschwächung von Störlichtbogen in einem elektrischen Verteiler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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In einem elektrischen Verteiler, beispielsweise einem Schaltschrank, auftretende Störlichtbogen stellen aufgrund der plötzlich und ungeplant auftretenden hohen Leistung, welche zu explosionsartigen Wirkungen führen können, eine große Gefahr dar. Einerseits kann es aufgrund der durch den Störlichtbogen entstandenen Schaden zu längeren Stillständen und aufwendigen Wartungsarbeiten kommen. Weiters entstehen Störlichtbogen oftmals bei unsachgemäß ausgeführten Wartungsarbeiten, wodurch es auch häufig zu Personenschäden kommt.
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Die Erzeugung eines Störlichtbogens in einem elektrischen Verteiler kann unterschiedliche Gründe haben. Oftmals ist es ein vergessenes Werkzeug oder andere lose Gegenstände in dem Verteiler, welche bei einem Einschalten des Verteilers den Störlichtbogen erzeugen. Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung eines Störlichtbogens ist es, wenn bei einem Ausschalten eines Niederspannungsleistungsschalters ionisierte Luft in den elektrischen Verteiler ausgestoßen wird, welche die Durchschlagsspannung zwischen den Phasen herabsetzt. Da bei einem Ausschalten eines Niederspannungsleistungsschalters auch induzierte Spannungsspitzen auftreten können, kann durch die Kombination dieser beiden Effekte ein Störlichtbogen zwischen den Phasen erzeugt werden.
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Es sind Vorrichtung zur Abschwächung von Störlichtbogen bekannt, welche das Auftreten eines Störlichtbogens detektieren, und bei Detektion eines Störlichtbogens die Phasen des elektrischen Verteilers kurzschließen, und so dem Störlichtbogen die Energie entziehen.
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Derartige Vorrichtungen, welche die Phasen möglichst schnell kurzschließen sollen, sind sehr aufwendig und teuer in der Herstellung. Zum schnellen Abschalten ist weiters der Einsatz von Elektronikbauteilen notwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Vorrichtung zur Abschwächung von Störlichtbogen der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher die genannten Nachteile vermieden werden können, und mit welcher beim Auftreten eines Störlichtbogens der Schaden gering gehalten werden kann, und welche trotzdem sehr einfach in der Herstellung ist.
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Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass einem Störlichtbogen in dem elektrischen Verteiler eine vorgegebene Stelle bereitgestellt werden kann, nämlich die Abbrandstelle in der Vorrichtung, in welcher der Störlichtbogen bis zu einer Abschaltung des elektrischen Verteilers oder selbsttätigen Erlöschens des Störlichtbogens in einer kontrollierbaren Umgebung brennen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen der ersten Stromschiene und der zweiten Stromschiene eine vorgegebene Stelle mit geringster Durchschlagspannung ausgebildet ist, an welcher der Störlichtbogen entweder beim Vorhandensein ionisierter Gasen entstehen kann oder bei einer Erzeugung an einer anderen Stelle des elektrischen Verteilers eingefangen werden kann. Durch das offene Gehäuse kann einerseits ionisiertes Gas eintreten und/oder ein sich entlang den Phasen des elektrischen Verteilers fortbewegenden Störlichtbogen von den Phasen des elektrischen Verteilers zu der Abbrandstelle in dem Gehäuse geleitet werden. Dadurch können die destruktiven Auswirkungen eines Störlichtbogens kontrolliert werden, und auf einfache Weise ohne störanfällige Komponenten wie Detektoren Geräte und Personen vor einem Schaden geschützt werden.
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Die Unteransprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Ausdrücklich wird hiermit auf den Wortlaut der Patentansprüche Bezug genommen, wodurch die Ansprüche an dieser Stelle durch Bezugnahme in die Beschreibung eingefügt sind und als wörtlich wiedergegeben gelten.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen lediglich eine bevorzugte Ausführungsform beispielhaft dargestellt ist, näher beschrieben. Dabei zeigt:
- 1 eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung in einer axonometrischen Darstellung;
- 2 die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung als Explosionsdarstellung; und
- 3 ein Teil der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung in Aufsicht.
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Die 1 bis 3 zeigen zumindest Teile einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Abschwächung von Störlichtbogen in einem elektrischen Verteiler, umfassend ein Gehäuse 2, eine erste Stromschiene 3 und eine zweite Stromschiene 4, wobei die erste Stromschiene 3 eine erste elektrische Anschlussstelle 5 und die zweite Stromschiene 4 eine zweite elektrische Anschlussstelle 6 aufweist, wobei die erste Stromschiene 3 beabstandet zu der zweite Stromschiene 4 angeordnet ist.
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Die Vorrichtung 1 ist zur Abschwächung von Störlichtbogen in einem elektrischen Verteiler. Die Abschwächung erfolgt dadurch, dass eine unkontrollierte Ausbreitung des Störlichtbogens verhindert wird und der Störlichtbogen an einer vorgegebenen Stelle seine durch die Vorrichtung reduzierte Energie freigeben kann. Ein Störlichtbogen ist ein unbeabsichtigt auftretender Lichtbogen. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches Gehäuse 2 bevorzugt ein Gehäuseoberteil 13 und ein Gehäuseunterteil 14 aufweist, welche lösbar miteinander befestigt sind.
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Die Vorrichtung 1 weist weiters eine erste Stromschiene 3 und eine zweite Stromschiene 4 auf. Als Stromschienen 3,4,10 werden in diesem Zusammenhang unisolierte und für hohe Stromstärken geeignete massive Leiter bezeichnet, wie diese beispielsweise in Schienenverteilersysteme in Niederspannungsverteiler eingesetzt werden. Die erste Stromschiene 3 weist eine erste elektrische Anschlussstelle 5 auf, welche zum Anschluss an eine erste Phase des elektrischen Verteilers vorgesehen ist. Die zweite Stromschiene 5 weist eine zweite elektrische Anschlussstelle 6 auf, welche zum Anschluss an eine zweite Phase des elektrischen Verteilers vorgesehen ist.
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Die erste Stromschiene 3 ist weiters beabstandet zu der zweite Stromschiene 4 angeordnet, so dass die erste Stromschiene 3 zu der zweite Stromschiene 4 elektrisch nicht in Kontakt ist.
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Vorgesehen ist, dass innerhalb des Gehäuses 2 an einer vorgegebenen Abbrandstelle 7 für einen Störlichtbogen eine Durchschlagspannung zwischen der ersten Stromschiene 3 und der zweiten Stromschiene 4 am geringsten ist, und dass das Gehäuse 2 offen ist.
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Die erste Stromschiene 3 und die zweite Stromschiene 4 sind daher derart ausgebildet, dass an einer vorgegebenen Stelle, welche Abbrandstelle 7 für einen Störlichtbogen genannt wird, die Durchschlagspannung zwischen der ersten Stromschiene 3 und der zweiten Stromschiene 4 am geringsten ist. Die Durchschlagspannung ist jene Spannung, welche notwenig zu der Erzeugung eines Lichtbogens ist. Für die Berechnung der Durchschlagspannung wird hierbei insbesondere nicht ionisierte Luft angenommen. Die Durchschlagspannung wird dabei vorwiegend durch die Geometrie der ersten Stromschiene 3 und der zweite Stromschiene 4 vorgegeben, insbesondere durch einen minimalen Abstand zwischen der ersten Stromschiene 3 und der zweite Stromschiene 4. Die Abbrandstelle 7 für den Störlichtbogen kann daher insbesondere eine Engstelle mit einem geringsten Abstand zwischen der ersten Stromschiene 3 und der zweiten Stromschiene 4 sein. Dadurch brennt der Störlichtbogen bei einem etwaigen Auftreten im Wesentlichen lediglich an der Abbrandstelle 7 und verlässt nicht die Vorrichtung 1.
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Dass die Durchschlagspannung zwischen der ersten Stromschiene 3 und der zweiten Stromschiene 4 an der Abbrandstelle 7 für einen Störlichtbogen am geringsten ist bedeutet hierbei insbesondere am geringsten im Vergleich zu der Durchschlagspannung zwischen der ersten Stromschiene 3 und der zweiten Stromschiene 4 abseits der Abbrandstelle 7 sowie insbesondere im Vergleich zu einer vorgesehenen Durchschlagspannung des für die Verwendung vorgesehenen elektrischen Verteilers.
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Dass das Gehäuse 2 offen ist bedeutet, dass das Gehäuse 2 nicht verschlossene Eingangsöffnungen 15 für Gase und/oder Störlichtbögen aufweist. Dadurch können ionisierte Gase, welche insbesondere bei einem fehlerhaften Abschaltvorgang eines Leistungsschalters entstehen können, und/oder Störlichtbögen von außen in das Innere des Gehäuses 2, und damit auch zu der Abbrandstelle 7, geleitet werden. Als fehlerhafter Abschaltvorgang wird hier ein Abschaltvorgang des Leistungsschalters bezeichnet, bei welchem ein ungewöhnlich großer Ausstoß an ionisierten Gasen erfolgt.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass einem Störlichtbogen in dem elektrischen Verteiler eine vorgegebene Stelle bereitgestellt werden kann, nämlich die Abbrandstelle 7 in der Vorrichtung 1, in welcher der Störlichtbogen bis zu einer Abschaltung des elektrischen Verteilers oder selbsttätigen Erlöschens des Störlichtbogens in einer kontrollierbaren Umgebung brennen kann. Dies wird dadurch erreicht, dass zwischen der ersten Stromschiene 3 und der zweiten Stromschiene 4 eine vorgegebene Stelle mit geringster Durchschlagspannung ausgebildet ist, an welcher der Störlichtbogen entweder beim Vorhandensein ionisierter Gasen entstehen kann oder bei einer Erzeugung an einer anderen Stelle des elektrischen Verteilers eingefangen werden kann. Durch das offene Gehäuse 2 kann einerseits ionisiertes Gas eintreten und/oder ein sich entlang den Phasen des elektrischen Verteilers fortbewegenden Störlichtbogen von den Phasen des elektrischen Verteilers zu der Abbrandstelle 7 in dem Gehäuse 2 geleitet werden. Dadurch können die destruktiven Auswirkungen eines Störlichtbogens kontrolliert werden, und auf einfache Weise ohne störanfällige Komponenten wie Detektoren Geräte und Personen vor einem Schaden geschützt werden.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 1 eine dritte Stromschiene 10 mit einer dritten elektrischen Anschlussstelle 11 aufweist, dass die dritte Stromschiene 10 beanstandet zu der ersten Stromschiene 3 und der zweiten Stromschiene 4 angeordnet ist, dass innerhalb des Gehäuses 2 an einer vorgegebenen weiteren Abbrandstelle 12 für einen Störlichtbogen eine Durchschlagspannung zwischen der dritten Stromschiene 10 und der zweiten Stromschiene 4 am geringsten ist, wobei insbesondere die weitere Abbrandstelle 12 im Wesentlichen gleich der Abbrandstelle 7 zwischen der ersten Stromschiene 3 und der zweiten Stromschiene 4 ausgebildet ist. Dadurch kann die Vorrichtung 1 geeignet für einen elektrischen Verteiler mit drei Phasen ausgebildet werden.
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Die Anschlussstellen 5,6,11 können insbesondere außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet sein. Die Stromschienen 3,4 ,10 können dann von den Anschlussstellen 5 ,6,11 in das Innere des Gehäuses führen.
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Zur Ausbildung der Anschlussstellen 5,6,11 können die Stromschienen 3,4,10 an einem Ende insbesondere Nuten aufweisen, durch welche eine Verschraubung mit den Phasen möglich ist.
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Die Stromschienen 3,4,10 können bevorzugt vorwiegend aus Kupfer ausgebildet sein.
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Weiters ist bevorzugt ein elektrischer Verteiler, insbesondere ein Schaltschrank, umfassend die Vorrichtung 1 zur Abschwächung von Störlichtbogen Störlichtbogen in einem elektrischen Verteiler vorgesehen. Der elektrische Verteiler kann insbesondere Phasen ausweisen, welche ebenfalls als Stromschienen ausgebildet sind. Derartige elektrische Verteiler werden häufig für den Niederspannungsbereich in einem Hauptverteiler oder in industriellen Anlagen eingesetzt.
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Die Vorrichtung kann bevorzugt elektrisch ausschließlich an den Phasen angeschlossen sein, also nicht noch zusätzlich an eine Erdung oder PEN Leitung.
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Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der elektrische Verteiler einen Leistungsschalter aufweist, und dass die Vorrichtung 1 zur Abschwächung von Störlichtbogen Störlichtbogen in einem elektrischen Verteiler im Bereich des Leistungsschalters angeordnet ist, insbesondere in einem ungeschützten Pfad des Leistungsschalters. Der Leistungsschalter kann insbesondere ein offener Leistungsschalter und/oder ein Niederspannungsleistungsschalter sein. Bei derartigen Leistungsschaltern wird der bei einem Abschaltvorgang erzeugte Lichtbogen mittels Luft durch eine Öffnung ausgeblasen, so dass ionisierte Luft im Bereich des Leistungsschalters freigesetzt wird. Die Vorrichtung 1 kann hierbei an den gleichen Phasen wie der Leistungsschalter angeschlossen sein. Die Anordnung der Vorrichtung 1 im Bereich des Leistungsschalters bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Vorrichtung 1 benachbart zu dem Leistungsschalter angeordnet ist. Die Vorrichtung 1 kann insbesondere in dem ungeschützten Pfad des Leistungsschalters angeordnet sein.
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Der ungeschützten Pfad des Leistungsschalters ist hierbei jener Teil des elektrischen Verteilers bei dem Leistungsschalter, welcher auch bei einem abgeschalteten Leistungsschalters unter Spannung ist. Bläst nämlich der Leistungsschalter auf einen nachgeschalteten, und daher geschützten Pfad, ist dieser durch den Abschaltvorgang des Leistungsschalters stromlose Pfad nicht gefährdet, jedoch der vor dem Leistungsschalter angeordnete ungeschützte Pfad. Dort kann dann der Störlichtbogen kontrolliert abgebrannt werden, bis weitere Schutzvorrichtungen auch diesen Teil stromlos schalten.
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Die Vorrichtung 1 kann insbesondere als Modul ausgebildet sein. Hierbei ist die Vorrichtung 1 bereits fertig ausgebildet und es ist nur noch ein Anschluss an die Phasen des elektrischen Verteilers notwendig. Vorteilhaft an einer als Modul ausgebildeten Vorrichtung 1 ist, dass diese schnell eingebaut oder ausgewechselt werden kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, da die Vorrichtung 1 nach dem Auftreten eines Störlichtbogens auszuwechseln sein wird.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 1 direkt im elektrischen Verteiler aufgebaut wird.
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Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse 2 ein hochtemperaturfeste und elektrisch isolierendes Verkleidungsteil 8 aufweist. Das Verkleidungsteil 8 hat die einerseits die Aufgabe eine Zerstörung des Gehäuses 2 durch den Störlichtbogen möglichst lange zu verhindern und das Innere des Gehäuses 2 nach außen hin zu isolieren. Weiters kann das Verkleidungsteil 8 zusätzlich die Aufgabe haben Teile der durch den Störlichtbogen freigesetzten Wärmeenergie aufzunehmen und dadurch den Störlichtbogen zu kühlen. Das Verkleidungsteil 8 kann ebenfalls insbesondere mehrteilig aufgebaut sein.
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Das Verkleidungsteil 8 kann insbesondere aus einer Keramik oder Stein, bevorzugt Schamotte, ausgebildet sein.
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Bevorzugt kann dass Verkleidungsteil 8 kann insbesondere aus einem, bevorzugt faserverstärkten, Duroplast wie insbesondere Durostone ausgebildet sein. Dadurch kann das Verkleidungsteil 8 zusätzlich die durch den Lichtbogen ausgelöste Druckwelle besser aushalten.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 1 weist das Gehäuse 2 eine zusätzlich, das hochtemperaturfeste und elektrisch isolierende Verkleidungsteil 8 umgebende äußere Abdeckung 17 auf.
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Alternativ könnte das Gehäuse 2 lediglich durch das Verkleidungsteil 8 ausgebildet werden.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Stromschiene 3 und/oder die zweite Stromschiene 4 an der Abbrandstelle 7 eine Elektrode 9 aufweisen. Die Elektrode 9 kann hierbei insbesondere ein Teil der Stromschiene 3,4,10 sein, welches aus einem anderen Material als die restliche Stromschiene 3,4,10 ausgebildet ist. Es kann daher jener Teil der Stromschiene 3,4,10, bei welchem die Belastung durch den Störlichtbogen am höchsten ist, besser für die Belastungen ausgelegt werden.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Elektrode 9 aus einem Metall oder Metalllegierung mit Schmelzpunkt größer 1,200 °C ausgebildet ist.
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Bevorzugt kann weiters vorgesehen sein, dass die Elektrode 9 eine konvexe Form aufweist. Durch die konvexe Form kann eine definierte und größere Kontaktfläche für den Störlichtbogen bereitgestellt werden, wodurch der Verschleiß verringert wird. Weiters wird durch die konvexe Form die elektrische Feldstärke erhöht, wodurch die Durchschlagspannung verringert werden kann. Die konvexe Form kann insbesondere einen Radius von im Wesentlichen 50 mm aufweisen.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Elektrode 9 durch einen Kopf einer Torbandschraube 16 ausgebildet wird. Dadurch kann die Elektrode 9 auf besonders einfach Weise ausgebildet werden.
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Eine Gegenseite zu der Elektrode 9 kann bevorzugt durch eine Gegenelektrode 20 gebildet werden.
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Die Gegenelektrode 20 kann insbesondere ebenfalls konvex ausgebildet sein.
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Ein minimaler Abstand zwischen Elektrode 9 und Gegenelektrode 20 wird bevorzugt so gering als möglich ausgeführt, um die geforderten minimalen Kriech- und Luftstrecken noch einzuhalten.
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Ein minimaler Abstand zwischen Elektrode 9 und Gegenelektrode 20 kann insbesondere zwischen 10 mm und 15 mm betragen, bevorzugt im Wesentlichen 11,5 mm.
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Weiters kann vorgesehen sein, die Elektrode 9 eine elektrische Leitfähigkeit kleiner 10^7 A/(Vm) aufweist. Diese elektrische Leitfähigkeit ist somit kleiner als jene von Kupfer, welche ca. 6 * 10^7 A/(Vm) beträgt. Durch die herabgesetzte elektrische Leitfähigkeit wird die Stromstärke des Störlichtbogens erniedrigt, wodurch der Verschleiß verringert wird.
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Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Elektrode 9 aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, ausgebildet ist. Stahl, insbesondere Edelstahl, eignet sich hierbei besonders gut, da es durch seine hohe mechanische Festigkeit, Temperaturbeständigkeit sowie vergleichsweise geringe elektrische Leitfähigkeit einen geringen Verschleiß durch den Störlichtbogen aufweist.
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Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass zwischen der ersten Stromschiene 3 und der zweiten Stromschiene 4 ein einbautenfreier, von den Anschlussstellen 5,6 bis zu der Abbrandstelle 7 verlaufender Störlichbogenausbreitungsbereich angeordnet ist. Der Störlichbogenausbreitungsbereich ist dabei ein von den Anschlussstellen 5,6 bis zu der Abbrandstelle 7 verlaufender Freiraum, entlang dessen sich ein außerhalb der Vorrichtung 1 entstandener Störlichtbogen ungehindert bis zu der Abbrandstelle 7 ausbreiten kann. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass beim Gehäuse 2 an jener Stelle, an welcher die Stromschienen 3,4, 10 von außen in das Gehäuse 2 führen, der Raum zwischen den Stromschienen 3,4,10 durch das Gehäuse 2 nicht verschlossen ist. Dadurch können sich zwischen den Stromschienen 3,4,10 nicht verschlossene Eingangsöffnungen 15 bilden. Dadurch kann ein sich ursprünglich im elektrischen Verteiler ausbreitender Störlichtbogen zu der Abbrandstelle geleitet werden, wo dieser dann gehalten wird.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse 2 im Bereich der Anschlussstellen 5,6, 11 einen Schlitz aufweist, durch welchen Schlitz die Stromschienen 3,4,10 führen. Der Schlitz kann insbesondere zwischen dem Gehäuseoberteil 13 und dem Gehäuseunterteil 14 ausgebildet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass erste Teile 18 der Stromschienen 3 ,4,10 plattenförmig ausgebildet sind, und insbesondere in einer Ebene angeordnet sind, wobei bevorzugt die zweite Stromschiene 4 zwischen der ersten Stromschiene 3 und der dritten Stromschiene 10 angeordnet ist.
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Die erste Stromschiene 3 und die dritte Stromschiene 10 können bevorzugt im Wesentlichen lediglich aus dem ersten Teil 18 bestehen.
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Die zweite Stromschiene 4 kann bevorzugt einen zweiten Teil 19 aufweisen, welcher zweiter Teil 19 aus der Ebene ragt und sich über die erste Stromschiene 3 und die dritte Stromschiene 10 spannt. Die Elektroden 9 können an dem zweiten Teil 19 angeordnet werden. Dadurch können die Abbrandstellen 7,12 auf einfache Weise hergestellt werden.
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Eine zuverlässige Beabstandung der Stromschienen 3,4,10 untereinander kann durch isolierende Zwischenstücke 21 erreicht werden.
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Weiters kann vorgesehen sein, dass bei der Abbrandstelle 7 zwischen dem ersten Stromschiene 3 und der zweiten Stromschiene 4 ein elektrisch isolierendes Trennstück mit einer Durchbrechung angeordnet ist. Das Trennstück in den 1 bis 3 nicht dargestellt. Hierbei kann der Störlichtbogen in der Durchbrechung brennen, wobei das Trennstück eine laterale Ausbreitung des Störlichtbogens verhindert, und damit seine Leistung begrenzt.
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Weiters kann vorgesehen sein, dass die Durchbrechung des Trennstückes kleiner ist als die Elektrode 9, um ein unbeabsichtigtes Zusammenschlagen der Elektrode 9 mit der Gegenelektrode 20 zu verhindern.
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Die Durchbrechung des Trennstückes kann insbesondere randoffen sein. Dadurch kann der Störlichtbogen von außen in die Durchbrechung wandern.
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Alternativ kann die Durchbrechung des Trennstückes geschlossen sein, also lediglich ein Loch darstellen. Dies erschwert ein Wandern des Störlichtbogens von außen in die Abbrandstelle 7. Allerdings kann der Störlichtbogen noch immer in der Abbrandstelle 7 entstehen, wobei die geschlossene Durchbrechung den Störlichtbogen zuverlässig an der Abbrandstelle 7 hält.
