DE1255187C2 - Funkenstreckenstapel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Funkenstreckenstar· vorzugsweise für Ventilableiter, der aus einzeln:: Lichtbogenkammern zusammengesetzt ist. Jede Karr mer besteht aus wenigstens zwei im wesentliche,, 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.

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 Überspannungsimpulses 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, ι ·

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 Veritilwiderständen 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.

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.

Die Erfindung bezweckt die Ausbildung eines Funkenstreckenstapels, bei dem in jeder Lichtbogenkammer das genannte Verhältnis zwischen der Länge eines irt 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 Ventiläbleiter aus, der mehrere axial aufeinandergestapelte 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 Lichtbogen verlängert und von seiner Zündstelle in einen engeren, zwischen den Platten liegenden Teil der Lichtbogenkammer, die Löschkammer, treibt.

Erfindungsgemäß ist die beschriebene Funkenstrecke so ausgebildet, daß zwischen den genannten Metallelektroden (Außenelektroden) mindestens eine Zwischenelektrode derart angeordnet ist, daß zwisehen den Außenelektroden bei Zündung mindestens zwei reihengeschaltete Lichtbogen 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.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Lichtbogens innerhalb einer Teilfunkenstrecke der Löschfunkenstrecke gewinnt man, wie angegeben, mehrere

*5 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

^ao innerhalb jeder Teilfunkenstrecke die Lichtbogenlänge auf einen mit Rücksicht auf die Wiederzündungsgef ahr geeigneten Wert begrenzt ist. Das Verhältnis zwischen einer zulässigen, periodischen und betriebsfrequent wiederkehrenden Spannung und der Zündspannung wird auf Grund des verkleinerten Elektrodenabstandes in jeder Teilfünkenstrecke sehr günstig. Die Anordnung mehrerer Funkenstrecken in einer Lichtbogenkammer vermindert, wie bemerkt, die Bauhöhe der Funkenstrecke wesentlich.

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 öder Zwischenelektroden sich quer über die Lichtbogenkammer zu dem oder in die Nähe des entgegengesetzten Plattehrandes erstrecken. Diese Elektrodenlage ist am vorteilhaftesten für eine Funkenstreckenanordnung mit einer geringen Anzahl von Zwischenelektroden und hat den Vorteil, daß die Lichtbogen 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. .

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 Lichtbogen, die zwischen den Funkenstreckenelektroden gebildet werden, sind oft sehr energiereich und können deshalb große Brennschäden auf den Elektroden verursachen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß sowohl die Außenelektroden als auch die Zwischenelektroden wenigstens bei den Zündstellen mit im wesentlichen ebenen oder kartenförmigen 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.

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.

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.

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,

Fig. 7a und 7b verschiedene Seiten der stapelbaren Platten und

Fig. 7c einen aus Platten zusammengesetzten Funkenstreckenstapel, der Lichtbogenkammern und Funkenstrecken enthält.

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

*5 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 Lichtbogen längs der Kante der Elektroden 2 und 3 hinaus und gegen den Rand

^a5 der Lichtbogenkammer bewegt und dabei in die Löschkammer 11 hineingezwungen. Die Lichtbogen, 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.

In Fig. 2 sind zwei ovale Außenelektroden 2 so auf der Platte 1 angeordnet, daß sie zusammen mit zwei bandförmigen Zwischenelektroden 3 zwischen M den Zündwarzen 5 Zündstreckeri 4 bilden, die in der Nähe des Plattenrandes liegen. Bei einer eintretenden Überspannung werden in den Zündstrecken 4 reihengeschaltete Lichtbogen 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. 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 Funkensirecke hineingezwungen.

Hierbei wird die Luft in der Kammer zusammen- und durch den von der Elektrode 3 gebildeten Gaszirkulationskanal 6 gepreßt, wobei die verhältnismäßig kühle Luft sowohl die Elektrode 3 als auch die Zündstelle 4 kühlt.

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.

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 Fig. 7b eine geschlossene Lichtbogenkammer bildet, die zwei Außenelektroden 2 und eine Zwischenelektrode 3

ίο 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.

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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 617/104

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Funkenstreckenstapel, vorzugsweise für Ventilableiter, mit einer Anzahl axial aufeinandergestapelter Platten aus lichtbogenbeständigem Isoliermaterial, 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 Lichtbogen verlängert und von seiner Zündstelle in einen engeren, zwischen den Platten liegenden Teil der Lichtbogenkammer, die Löschkammer, treibt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den genannten Metallelektroden- (2) (Außenelektroden) mindestens eine Zwischenelektrode (3) derart angeordnet ist, daß zwischen den Außenelektroden (2) bei Zündung mindestens zwei reihengeschaltete Lichtbogen gebildet werden, deren jeder von seiner Zündstelle (4) längs den Elektroden (2, 3) in die Löschkammer (11) getrieben wird, wobei die Elektroden (2, 3) an den Zündstellen (4) nahe beieinander stehen und sich von hier zu der Außenkante der Löschkammer (11) erstrecken.

2. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektroden (2, 3) derart angeordnet sind, daß zwischen den Elektroden (2, 3) gebildete Zündstrecken (4) im wesentlichen gleich groß und am oder in der Nähe des Plattenrandes gelegen sind und daß mindestens die zwischen den äußersten Elektroden (2) liegende Zwischenelektrode (3; Fig. 3 bis 6 und 7 a bis 7 c) oder Zwischenelektroden (3; Fig. 2) sich quer über die Lichtbogenkammer

(11) zu dem oder in die Nähe des Plattenrandes erstrecken.

3. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1, da-: durch gekennzeichnet, daß die in der Lichtbogenkammer (11) angeordneten Elektroden (2, 3) so gestellt sind, daß sie in der Nähe des Mittelteils

(12) der Platte zwischen sieh Zündstrecken (4) bilden und daß die genannten Elektroden (2, 3) , sich in radialer Richtung von der mittleren Region der Lichtbogenkammer (11) zu dem Plattenrand erstrecken.

4. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Außenelektroden (2) gelegene Zwischenelektrode (3; Fig. 7b und 7c) oder Zwischenelektroden (3; Fig. 1) Wände von in der Längsrichtung jeder Elektrode (3) verlaufenden Gaszirkulationskanälen (6) bilden.

5. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Zwischenelektroden ein U-förmiges Profil haben.

6. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Außenelektroden (2; Fig. 3) der Funkenstrecke angeordnete Zwischenelektrode (3) die Form einer Haarnadel hat, wobei die in der Längsrichtung der Elektrode verlaufenden, im wesentlichen parallelen Schenkel in der Nähe der Zündstellen (5) der Funkenstrecken zusammenhängen.

7. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Außenelektroden (2) als auch die Zwischenelektroden (3) wenigstens an den Zündstrecken (4) mit im wesentlichen ebenen oder kalottenförmigen Flächen (5) ausgeführt sind, deren Ebenen Winkel mit der Hauptebene der Platten (1) bilden.

8. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1," dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorionisierungsorgan, z. B. ein spitzer, von einer Elektrode herausragender Metallteil (7), in der Nähe einer Zündstelle (5) und sichtbar von dieser aus angeordnet ist.

9. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der zwischen den Platten (1) liegenden Elektroden (2, 3) eine mechanische Stütze zwischen den Platten (1) bildet.

10. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (1) mit zwei an beiden Seiten der Platte angeordneten Metallelektroden (2) versehen ist, die durch metallische Verbindungen (8) verbunden sind.

11. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Platten einander gleich sind und aufeinandergestapelt werden können.

12. Funkenstreckenstapel nach Anspruch 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinandergestapelte Platten im Verhältnis zueinander winkelrecht verschoben sind.