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Funkenstreckenstapel Die Erfindung betrifft einen Funkenstreckenstapel,
vorzugsweise für Ventilableiter, der aus einzelnen Lichtbogenkammern zusammengesetzt
ist. Jede Kammer besteht aus wenigstens zwei im wesentlichen parallelen Platten
aus lichtbogenfestem Isolationsmaterial, die zwischen sich eine oder mehrere geschlossene,
die metallischen Elektroden aufnehmende Lichtbogenkammern bilden. Jede Platte hat
dabei an beiden Seiten Elektroden, die zu benachbarten Lichtbogenkammern gehören,
d. h., die Lichtbogenkammern sind aus Raumersparnisgründen übereinander und winkelrecht
zu der Längsachse des Ableiters gerichtet angeordnet, wobei der für die Lichtbogenkammer
zur Verfügung stehende Raum von dem Zwischenraum zwischen zwei aufeinandergestapelten,
gewöhnlich kreisförmigen und mit Ausnehmungen versehenen Platten aus Isoliermaterial
gebildet wird.
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Ventilableiter, die für ein elektrisches Kraftnetz bestimmt sind,
enthalten Funkenstrecken, deren Aufgabe es ist, bei eintretender Überspannung zu
zünden und dadurch eine Strombahn mit niedrigem Widerstand durch den Ableiter zu
öffnen, danach sobald wie möglich den Lichtbogen wieder zu löschen und so die Strombahn
zu unterbrechen und den Ableiter wieder stromlos zu machen. Wenn während eines Ableitvorganges
wenigstens der wesentliche Teil des Oberspannungsimpulses aufgehört hat, aber noch
bevor die Funkenstrecke gelöscht und die niederohmige Verbindung durch den Ableiter
unterbrochen ist, besteht ein Zustand, der dadurch charakterisiert ist, daß die
über den Ableiter wirkende Betriebsspannung des Kraftnetzes durch den Ableiter einen
Strom treibt. Dieser von der Spannung des Netzes getriebene Strom wird üblicherweise
als Folgestrom bezeichnet. Der Funkenstreckenstapel muß in der Lage sein, diesen
Folgestrom zu unterbrechen.
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Für die Löschung des Folgestromes ist es bekannt, einen in einer Funkenstrecke
gebildeten Lichtbogen durch Anordnung eines vom Lichtbogenstrom gespeisten äußeren
magnetischen Feldes winkelrecht zu den Platten zu löschen. Das magnetische Feld
beeinflußt dabei den gebildeten Lichtbogen derart, daß dieser verlängert und gezwungen
wird, aus einem weiteren Teil der Lichtbogenkammer, der Zündkammer, in einem engeren
Teil, Löschkammer genannt, zu fließen. Die Fußpunkte des Lichtbogens werden dabei
längs der Elektroden von der Zündstelle fortbewegt, so daß die Fußpunkte Zeit für
eine Entionisierung haben und eine hohe dielektrische Festigkeit erlangen können,
bevor der Lichtbogen in der Löschkammer erlischt. Der Lichtbogen des Folgestromes
nimmt zudem in der Löschkammer einen beträchtlichen Bogenspannungsabfall auf, der
sich zum Spannungsabfall in den mit den Funkenstrecken meist reihengeschalteten
Ventilwiderständen addiert, und trägt so zur Begrenzung des von der Netzspannung
getriebenen Folgestromes bei. Der Lichtbogenspannungsabfall wird in einer Löschkammer
der in Frage stehenden Art im wesentlichen proportional der Lichtbogenlänge, die
deshalb groß sein muß.
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Wie Beobachtungen zeigen, wird die Wirkungsweise einer Funkenstrecke
bedeutend verschlechtert, wenn das Verhältnis zwischen der Länge eines in die Löschkammer
gezogenen Lichtbogens einerseits und dem Abstand zwischen den Elektroden an der
Zündstelle des entsprechenden Lichtbogens andererseits zu groß ist. In diesem Fall
wird nämlich der Lichtbogenspannungsabfall so groß, daß eine Wiederzündung der Zündstelle
eintritt, ehe diese eine ausreichende dielektrische Festigkeit wiedergewonnen hat.
Es konnte weiter bewiesen werden, daß die wiederkehrende dielektrische Festigkeit
in einer Zündstelle mit großem Abstand zwischen den Elektroden verhältnismäßig langsamer
zunimmt als in einer Zündstelle, bei der dieser Abstand kleiner ist.
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Die Erfindung bezweckt die Ausbildung eines Funkenstreckenstapels,
bei dem in jeder Lichtbogenkammer das genannte Verhältnis zwischen der Länge eines
in die Löschkammer gezogenen Lichtbogens einerseits und dem Abstand zwischen den
Elektroden an der Zündstelle des entsprechenden Lichtbogens
andererseits
klein ist und gleichzeitig der Vorteil erreicht wird, daß seine Bauhöhe für eine
gegebene Betriebsspannung erheblich kleiner wird als die bekannter Funkenstreckenstapel.
Die Erfindung geht von einem bekannten Funkenstreckenstapel für Ventilableiter aus,
der mehrere axial aufeinanderaestapelte Platten aus lichtbogenbeständigem Isoliermaterial
hat, die zwischen sich mehrere geschlossene Lichtbogenkammern einschließen, in denen
Metallelektroden liegen, und mit außerhalb der Lichtbogenkammern gelegenen, vom
Lichtbogenstrom gespeisten Elektromagneten zum Erzeugen eines gegen die Lichtbogenkammern
senkrecht gerichteten Magnetfeldes, das beim Ansprechen der Anordnung jeweils die
erzeugten Lichtbögen verlängert und von seiner Zündstelle in einen engeren, zwischen
den Platten liegenden Teil der Lichtbogenkammer, die Löschkammer, treibt.
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Erfindungsgemäß ist die beschriebene Funkenstrecke so ausgebildet,
daß zwischen den genannten Metallelektroden (Außenelektroden) mindestens eine Zwischenelektrode
derart angeordnet ist, daß zwischen den Außenelektroden bei Zündung mindestens zwei
reihengeschaltete Lichtbögen gebildet werden, deren jeder von seiner Zündstelle
längs der Elektroden in die Löschkammer getrieben wird, wobei die Elektroden an
den Zündstellen nahe beieinander stehen und sich von hier zu der Außenkante der
Löschkammer erstrecken.
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Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Lichtbogens innerhalb einer
Teilfunkenstrecke der Löschfunkenstrecke gewinnt man, wie angegeben, mehrere Vorteile
gleichzeitig. Die totale Lichtbogenlänge kann für das ganze Plattenpaar so groß
gewählt werden, wie es der Raum innerhalb der Kontur erlaubt, so daß das Plattenpaar
den größtmöglichen totalen Spannungsabfall aufnimmt, während gleichzeitig innerhalb
jeder Teilfunkenstrecke die Lichtbogenlänge auf einen mit Rücksicht auf die WiederzündungsgefahrgeeignetenWertbegrenztist.
DasVerhältnis zwischen einer zulässigen, periodischen und betriebsfrequent wiederkehrenden
Spannung und der Zündspannung wird auf Grund des verkleinerten Elektrodenabstandes
in jeder Teilfunkenstrecke sehr günstig. Die Anordnung mehrerer Funkenstrecken in
einer Lichtbogenkammer vermindert, wie bemerkt, die Bauhöhe der Funkenstrecke wesentlich.
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Die Metallelektroden können in der Lichtbogenkammer erfindungsgemäß
mit Vorteil auf zwei verschiedene Weisen angeordnet werden. Beispielsweise können
die Metallelektroden so angeordnet werden, daß die zwischen den Elektroden gebildeten
Zündstrecken im wesentlichen gleich groß sind und am oder in der Nähe des Plattenrandes
liegen und daß wenigstens die zwischen den äußersten Elektroden gelegene Zwischenelektrode
oder Zwischenelektroden sich quer über die Lichtbogenkammer zu dem oder in die Nähe
des entgegengesetzten Plattenrandes erstrecken. Diese Elektrodenlage ist am vorteilhaftesten
für eine Funkenstreckenanordnung mit einer geringen Anzahl von Zwischenelektroden
und hat den Vorteil, daß die Lichtbögen in ausgezogenem Zustand sich weit von den
entsprechenden Zündstellen befinden, was vom Entionisierungsstandpunkt aus wünschenswert
ist. Die Zwischenelektroden können jedoch in gewissen Fällen mit Vorteil in die
Nähe des Mittelpunktes der Lichtbogenkammer gebracht werden, so daß sie zwischeneinander
Zündstrecken bilden und sich in radialer Richtung von der mittleren Region der Lichtbogenkammer
zu ihrem Rand erstrecken. Die letztgenannte Elektrodenlage ist am vorteilhaftesten,
wenn eine größere Anzahl von Zwischenelektroden in der Lichtbogenkammer angeordnet
werden soll, da bei dieser Elektrodenlage ein größerer Teil der Peripherie der Lichtbogenkammer
für den ausgezogenen Lichtbogen zugänglich ist. Dadurch, daß die Zwischenelektroden
sich in die Zündstelle erstrecken, bekommt die Zündstelle eine bessere dielektrische
Festigkeit, wodurch es möglich ist, die Löschstrecke lang zu machen -nach der Erfindung
bis zum ganzen Umfang der Löschkammer --, ohne daß Wiederzündung der Zündstelle
zu befürchten ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können die zwischen den
Außenelektroden gelegenen Zwischenelektroden bzw. Zwischenelektrode Wände für in
der Längsrichtung jeder Elektrode verlaufende Gaszirkulationskanäle bilden. Jede
Zwischenelektrode wird zu diesem Zweck entweder mit einem U-förmigen Profil ausgeführt
oder hat die Form einer Haarnadel, wobei die in der Längsrichtung jeder Elektrode
verlaufenden, im wesentlichen parallelen Schenkel der Nadel in der Nähe der Zündstelle
der Funkenstrecke zusammenhängen. Durch Ausnutzen der Zwischenelektroden als Wände
der Gaszirkulationskanäle wird einmal erreicht, daß die Luft im Lichtbogenraum,
die der Lichtbogen bei seiner Bewegung vor sich herschiebt, einen Rückflußkanal
erhält, was notwendig ist, damit der Lichtbogen, ohne von einem komprimierten Gaskissen
aufgehalten zu werden, den Rand der Lichtbogenkammer erreichen kann, und zum anderen
erhält man durch die Gaszirkulation eine Kühlung der Zündstelle, die sehr wichtig
für die Entionisierung der Zündstellen ist. Die Zwischenelektroden bilden außerdem
gemäß der Erfindung eine mechanische Stütze zwischen den die Elektroden umgebenden
Platten. Diese mechanische Stütze hat sich als sehr wertvoll erwiesen, da die Platten
aus Isoliermaterial sehr starken mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt werden,
wenn ein großer Stoßstrom durch die Funkenstreckenanordnung geleitet wird. Die Lichtbögen,
die zwischen den Funkenstreckenelektroden gebildet werden, sind oft sehr energiereich
und können deshalb große Brennschäden auf den Elektroden verursachen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß sowohl die Außenelektroden
als auch die Zwischenelektroden wenigstens bei den Zündstellen mit im wesentlichen
ebenen oder kalottenförmigen Flächen ausgeformt sind, deren Ebenen rechte Winkel
mit der Hauptebene der Platten bilden. Solche Elektroden haben somit an den Zündstellen
große Brennflächen für den Lichtbogen, wodurch die Gefahr von Brennschäden auf den
Elektroden verringert wird.
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Um eine wohldefinierte Zündspannung für die Funkenstreckenanordnung
zu erhalten, ist diese nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung in an und für
sich bekannter Weise mit einem Vorionisierungsorgan versehen. Dieses besteht z.
B. aus einem spitzen, aus der Elektrode herausragenden Metallteil, der in der Nähe
der Zündstelle und von ihr aus sichtbar angeordnet ist.
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Wie bereits bemerkt, ist jede Isolierplatte mit zwei auf jeder Seite
der Platte liegenden Metallelektroden versehen, die galvanisch verbunden sind. Dabei
sind in bekannter Weise mindestens zwei Platten gleich
und aufeinandergestapelt
und zwei aufeinandergestapelte Platten im Verhältnis zueinander winkelverschoben.
Sind die Platten einander gleich und die auf beiden Seiten jeder Platte liegenden
Elektroden metallisch verbunden, so ermöglicht dies die Reihenschaltung aller im
Stapel gebildeten Zündstrecken.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der schematischen Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen F i g. 1, 2 und 3 verschiedene Arten der Lage der
Elektroden innerhalb einer Lichtbogenkammer, F i g. 4, 5 und 6 verschiedene Ausbildungen
der Zündstellen, F i g. 7 a und 7 b verschiedene Seiten der stapelbaren Platten
und F i g. 7 c einen aus Platten zusammengesetzten Funkenstreckenstapel, der Lichtbogenkammern
und Funkenstrecken enthält.
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In F i g. 1 sind Außenelektroden 2 und Zwischenelektroden 3 auf Platten
1 angeordnet, so daß sie zwischen sich Funkenstrecken 4 bilden. Jede Elektrode ist
mit Zündwarzen 5 versehen, die im Ausführungsbeispiel in der mittleren Region der
Lichtbogenkammer derart angeordnet sind, daß die Zündwarzen 5 auf zwei benachbarten
Elektroden einander gegenüberliegen. Im Funkenstreckenstapel liegen die Mittelteile
12 und die Plattenränder 9 der einzelnen Platten 1 ohne Zwischenraum
aufeinander, während sie dagegen an den übrigen Stellen Zwischenräume bilden, und
zwar eine sogenannte Lichtbogenkammer, die aus einer verhältnismäßig geräumigen
Zündkammer 10 und einer schmaleren Löschkammer 11 besteht. Bei einer zwischen den
Außenelektroden 2 auftretenden Überspannung wird ein Lichtbogen zwischen den Zündwarzen
5 jeder Zündstrecke 4 gezündet. Der Lichtbogenstrom, der eine außerhalb der
Zündstrecke befindliche magnetische Blasspule speist, erzeugt ein winkelrecht zu
der Ebene der Platte 1 gerichtetes Magnetfeld. Wenn die Lichtbögen, die an den Zündstellen
4 erzeugt werden, von dem genannten Magnetfeld beeinflußt werden, werden die Fußpunkte
der Lichtbögen längs der Kante der Elektroden 2 und 3 hinaus und gegen den Rand
der Lichtbogenkammer bewegt und dabei in die Löschkammer 11 hineingezwungen. Die
Lichtbögen, die bei ihrer Bewegung teils verlängert und teils in eine enge Kammer
hineingezwungen werden, nehmen dabei einen großen Lichtbogenspannungsabfall auf,
was dazu beiträgt, den Strom durch die Funkenstreckenanordnung zu verringern, weshalb
der Lichtbogen nicht länger aufrechterhalten werden kann, sondern erlischt.
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In F i g. 2 sind zwei ovale Außenelektroden 2 so auf der Platte 1
angeordnet, daß sie zusammen mit zwei bandförmigen Zwischenelektroden 3 zwischen
den Zündwarzen 5 Zündstrecken 4 bilden, die in der Nähe des Plattenrandes liegen.
Bei einer eintretenden Überspannung werden in den Zündstrecken 4 reihengeschaltete
Lichtbögen gezündet, die mittels magnetischer Blasung verlängert und von der Zündkammer
10 zur Löschkammer 11 in derselben Weise wie in der Anordnung nach
F i g. 1 bewegt werden.
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Die Zündstrecke nach F i g. 3 hat wie die vorhergehende Zündstrecke
zwei mit 2 bezeichnete Außenelektroden, deren Zündstellen 4 in der Nähe des Plattenrandes
1 angeordnet sind. In F i g. 3 ist nur eine Zwischenelektrode 3 gezeigt, die sich
längs zur Platte 1 erstreckt. Die in der Figur gezeigte Elektrode 3 hat eine Haarnadelform
mit im wesentlichen parallelen Schenkeln. Ein in der Zündstrecke 4 gebildeter
Lichtbogen wird von einem äußeren Magnetfeld in vorher beschriebener Weise in die
Löschkammer 11 der Funkenstrecke hineingezwungen. Hierbei wird die Luft in der Kammer
zusammen-und durch den von der Elektrode 3 gebildeten Gaszirkulationskanal6 gepreßt,
wobei die verhältnismäßig kühle Luft sowohl die Elektrode 3 als auch die Zündstelle
4 kühlt.
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Die Außenelektrode 2 und die gezeigten Zwischenelektroden 3 sind aus
Raumersparnisgründen platt oder bandförmig ausgeführt. In der erweiterten Zündkammer
10 zwischen den Platten 1 sind die Elektroden jedoch gebogen, so daß die Zündstrecken
4
zwischen großen, im wesentlichen ebenen Flächen der Elektroden und nicht
zwischen deren schmalen Kanten gebildet werden. Hierdurch kann der Lichtbogen, der
den von der Überspannung herrührenden hohen Stoßstrom führt, sich unmittelbar nach
der Zündung über größere Elektrodenflächen ausbreiten, was Brennschäden auf den
Elektroden vermindert.
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In den F i g. 7 a bis 7 c sind wie in den früheren Figuren die Platten
mit 1 und die in den Platten angebrachten ovalen Außenelektroden mit 2 bezeichnet.
Die Zwischenelektroden 3, die im Ausführungsbeispiel ein U-förmiges Profil haben,
sind mit Ausnehmungen 6 für die Gaszirkulation ausgeführt und im übrigen so geformt,
daß sie eine mechanische Stütze zwischen den Platten 1 bilden. Die Zwischenelektroden
3 erstrecken sich von der Zündstelle 4
der Funkenstrecke zum entgegengesetzten
Rand der Lichtbogenkammer. In den Platten 1 sind die Ausnehmungen für die
Zündkammer mit 10 und für die Löschkammer mit 11 bezeichnet. Weiter ist jede
Platte mit Führungsnasen oder Führungsnuten 13 versehen, die jede einzelne Platte
im Stapel in fixierter Lage halten. Auf den Außenelektroden 2 sind Vorionisierungsorgane
7 in Form von herausragenden Metallzungen derart angebracht, daß sie von den entsprechenden
Zündstellen aus sichtbar sind. Um die genannten Vorionisierungsorgane herum entsteht
bei Überspannung eine Glimmentladung, die die Zündung in der Funkenstrecke erleichtert
und die Streuung der Zündspannung der Anordnung reduziert. F i g. 7 a zeigt die
Unterseite einer Platte 1,
die zusammengelegt mit der Platte 1 in F
i g. 7 b eine geschlossene Lichtbogenkammer bildet, die zwei Außenelektroden 2 und
eine Zwischenelektrode 3 enthält. Jede Platte ist auf jeder Seite mit einer Außenelektrode
2 versehen, die mit metallischen Verbindungsteilen 8 verbunden ist. F i g. 7 c zeigt
drei aufeinandergestapelte Platten 1, die zwischen sich zwei Lichtbogenkammern und
vier reihengeschaltete Funkenstrecken bilden.
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Die hier gezeigten Ausführungsformen der Erfindung haben sich als
besonders zweckmäßig erwiesen. Es ist jedoch möglich, innerhalb des Rahmens des
Erfindungsgedankens z. B. andere Elektrodenkonfigurationen anzuwenden, ohne dabei
von der Wirkungsweise der Erfindung im Prinzip abzuweichen.