Löschfunkenstrecke mit scheibenförmigen Elektroden und Isolierdistanzstücken Der heute wohl am meisten in den Hochspannungsanlagen der Energieübertragung verwendete Typ des überspannungsableiters ist ohne Zweifel der überspannungsableiter mit Löschfunkenstrecke und spannungsabhängigem Widerstand. über die Löschfunkenstrecke ist dabei, solange sie nicht angesprochen hat, der Entladungsweg über den Ableiter unterbrochen, erst dann, wenn die am Einbauort des Überspannungsableiters auftretende Überspannung die Durchschlagsspannung der Löschfunkenstrecke, d. h. deren »Ansprechspannung« überschreitet, wird zwischen der zu schützenden, auf Potential befindlichen Leitung und im allgemeinen Erdpotential eine Entladungsbahn hergestellt, über die die überspannungen auf ungefährliche Werte begrenzt werden. Da von der Genauigkeit, mit der der Ableiter anspricht, d. h. von der Konstanz der Ansprechspannung des Ableiters in hohem Maß dessen Schutzwert, vor allem bei der Begrenzung innerer überspannungen, abhängt, legen die Hersteller von überspannungsableitern den größten Wert darauf, daß die Ansprechspannung unabhängig von der Form der auf den Ableiter auflaufenden überspannungswelle möglichst konstant bleibt.

In F i g. 1 ist nun eine Löschfunkenstrecke, wie sie sich in großer Zahl schon in überspannungsableitern bewährt hat, im Prinzip dargestellt. Mit 1 sind dabei die scheibenförmigen Metallelektroden dieser Löschfunkenstrecke bezeichnet, die durch Ringscheiben 2 aus Isoliermaterial distanziert sind. Diese Ringscheiben weisen einen Lochdurchmesser auf, der mit dem mittleren Durchmesser einer ringförmig angeordneten Hohlnut der Metallelektroden übereinstimmt. Zur Zentrierung der eben genannten Metallelektroden mit den Ringscheiben werden Zentrierringe 3 aus Isoliermaterial angewendet, die eine etwas geringere Dicke als die Metallelektroden 1 besitzen. Metallelektroden 1, Ringscheiben 2 und Zentrierringe 3 werden dann in einem rohrförmigen Gehäuse aus Isoliermaterial 4 eingebaut und mittels Preßteller 5, die hier unter Verwendung von Sprengringen 6 im Isoliergehäuse 4 gelagert sind, und mittels geeigneter Druckfedern zusammengepreßt. Zwischen dem oberen und unteren Preßteller 5 erfolgt dann der Anschluß der Löschfunkenstrecke.

Weiter oben wurde darauf hingewiesen, daß es sehr wichtig ist, daß derartige Löschfunkenstrecken eine möglichst konstante Ansprechspannung besitzen, und zwar auch dann, wenn die auf dem überspannungsableiter auflaufende überspannungswelle nur von sehr kurzer Dauer, etwa im Bereich von usek ist. Eine konstruktive Maßnahme, die hier von sehr vielen Herstellern mit sehr gutem Erfolg angewendet wird, ist dabei die sogenannte »Vorionisation der Arbeitsfläche der Löschfunkenstrecke«. Dieses Prinzip der Vorionisation ist auch bei der Löschfunkenstrecke nach F i g. 1 angewendet worden, es sei an Hand von F i g. 2 näher erläutert.

Es sind in F i g. 2 zwei in vergrößertem Maßstab gezeichnete Metallelektroden 1,1' gezeichnet sowie eine isolierende Ringscheibe 2. Die weiteren Teile der Löschfunkenstrecke sind hier ohne Interesse und daher weggelassen. Die Arbeitsfläche der unteren Elektrode 1' ist mit der mit 7 bezeichneten Klammer angegeben, die Arbeitsfläche der oberen Elektrode 1 steht dieser gegenüber und besitzt den gleichen Durchmesser. Diese Flächen werden als Arbeitsflächen deshalb bezeichnet, weil die Löschfunkenstrecke hier ihren kleinsten Durchschlagsweg besitzt und sie innerhalb dieser Fläche, im vorliegenden Fall also in einem nahezu homogenen Feld, zum Durchschlag, d. h. zum Ansprechen kommt.

Die Vorionisierung dieser Arbeitsfläche kommt nun dadurch zustande, daß in dem Bereich 8, 9, 10 und 11 die elektrischen Kraftlinien zwischen den Elektroden über der Strecke 8, 9 in einem gasförmigen Medium, 9-10 im festen Medium der Ringscheibe 2 und 10-11 wieder im gasförmigen Medium verlaufen. Um nun den Effekt der Vorionisierung zu erreichen, wird das Isoliermaterial der Ringscheibe mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante gegenüber dem gasförmigen Medium, dessen Dielektrizitätskonstante praktisch gleich 1 ist, ausgeführt. Man erreicht auf diese Weise, daß über der Strecke 9-10, d. h. im festen Medium, nur ein relativ geringer Betrag der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 1 und 1' abgebaut wird, der verbleibende größere Betrag über den Gasstrecken 8-9 bzw. 10-11 abfällt. In der Nähe der Ablösungskante der Metallelektroden von der isolierenden und distanzierenden Ringscheibe wird dabei die spezifische Beanspruchung der Gasstrecken so groß, daß es über denselben zu einer Vorentladung kommt, durch die die in einer Ebene liegenden Arbeitsflächen der Elektroden 1 und 1', die letztere mit 7 bezeichnet, sehr kräftig ionisiert werden, so daß auch bei kurzzeitiger Beanspruchung der Löschfunkenstrecke der statische Entladeverzug außerordentlich klein bleibt. Diese Vorionisierung ist vor allem auch deshalb sehr kräftig, weil an den Ablösungskanten der Elektroden 1 und 1' auf ihrem ganzen Umfang Vorentladungen auftreten, sobald die an die Funkenstrecken angelegten Spannungen in die Nähe der Ansprechspannung kommen.

So nützlich diese Vorentladungen zwischen Ablösungskanten der Metallelektroden und isolierender Ringscheibe für ein sehr leichtes und zuverlässiges Ansprechen der Löschfunkenstrecke im Bereich der Arbeitsflächen nun sind, so unangenehm ist der gleiche Vorgang der Vorentladung nach außen, d. h. im Bereich der Kraftlinien zwischen den beiden Elektroden, wie sie mit der Kraftlinie 12 angedeutet sind. Die Vorentladungen, die nach außen auftreten, reduzieren nämlich die äußere überschlagsspannung der Löschfunkenstrecken in unangenehmer Weise, wenn nicht besondere Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Es ist dabei ja zu bedenken, daß im Hinblick auf den zuverlässigen Betrieb der überspannungsableiter die Löschfunkenstrecke stets nur im Innern über die Arbeitsflächen zünden darf und keineswegs außen über die Isolierstrecken hinweg, die ja bei einem überschlag verkohlen würden. Das heißt aber, die Außenüberschlagsspannung der Löschfunkenstrecke muß mit einer beträchtlichen Sicherheit größer sein als die innere überschlagsspannung, d. h. die eigentliche Ansprechspannung der Funkenstrecke.

Um in bezug auf die äußere Überschlagsspannung die nötige Sicherheit zu erzielen, ist in der Löschfunkenstrecke nach F i g. 1 der äußere Durchmesser der Ringscheiben 2 beträchtlich größer gewählt als der Außendurchmesser der Metallelektroden 1. Außerdem ist das Isoliergehäuse 4 der Löschfunkenstrecke relativ dick ausgeführt.

Ein Nachteil der nach F i g. 1 aufgebauten Funkenstrecke ist nun der, daß ihr Außendurchmesser wesentlich größer ist als der Außendurchmesser der Metallelektroden. Damit ergeben sich teure und aufwendige Konstruktionen, vor allem dann, wenn die Löschfunkenstrecke, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, als solche komplett in einen keramischen Isolator eingebaut wird mit dem Ziel, einen in Freiluftanlagen verwendbaren überspannungsableiter aufzubauen.

Es sind nun schon Vorschläge bekanntgeworden, die die Vorentladungen am äußeren Umfang der Löschfunkenstrecken nach F i g. 1 unterbinden, und zwar etwa dadurch, daß die Funkenstrecken auf ihrer äußeren Mantelfläche mit Isoliermaterial vergossen oder auch in kalt aushärtendes Gießharz eingebettet werden. Damit kann man zwar den Außendurchmesser dieser Funkenstrecken erheblich verkleinern, gleichzeitig nimmt man aber den Nachteil in Kauf, daß die Justierung der Ansprechspannung dieser Funkenstrecken, die ja möglichst genau auf einen Sollwert eingestellt werden müssen, erschwert ist, denn zu diesem Zweck müssen die Ringscheiben 2 in ihrer Dicke je nach Ausfall der einzelnen Funkenstrecken variiert werden können. Vergießt man solche Funkenstrecken, ist eine nachträgliche Änderung praktisch nicht mehr möglich.

Bei einer anderen Bauart von Löschfunkenstrecken werden Isolierdistanzstücke verwendet, die etwa in der Mitte der Ringbreite abgesetzt sind und deren äußere Hälfte dicker als die innere Hälfte ist. Die Elektrodenscheiben sind an ihrem äußeren Rand dünner als in der Mitte und werden von dem Absatz des zugehörigen Isolierdistanzstückes zum Teil umfaßt. Die Elektroden reichen radial bis annähernd an den Absatz heran. Der verbleibende Raum zwischen den Isolierdistanzstücken ist mit einem Bindemittel ausgefüllt. Bei dieser Anordnung kann zwar durch dünneren oder dickeren Auftrag des Bindemittels eine Abstandsjustierung erfolgen, jedoch fällt der Nachteil des großen Gesamtdurchmessers ebensosehr ins Gewicht, wie bei der Anordnung nach F i g. 1.

Erfindungsgemäß wird eine Reduzierung des Außendurchmessers der kompletten Löschfunkenstrecke möglich bei gleichzeitiger Beibehaltung des Vorteils der jederzeitigen Justierung der Ansprechspannung der Löschfunkenstrecke, und zwar dadurch, daß jeder Elektrode mindestens zwei zu ihren beiden Seiten anliegende Isolierdistanzstücke zugeordnet sind, die mit äußeren Kragen die Elektroden von oben und unten umfassen und daß die Kragenränder einander überlappen.

In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt. Mit 1 und 1' sind wieder zwei Metallelektroden der Löschfunkenstrecke bezeichnet, die durch die Isolierdistanzstücke 13 und 14 in Abstand gehalten sind. An der inneren Elektrodenkante, an der sich die Elektroden von den Isolierdistanzstücken ablösen, ist genau wie in der Ausführung nach F i g. 2 bzw. 1 nach wie vor eine Vorentladung vor dem Durchschlag der Löschfunkenstrecke möglich, an den entsprechenden äußeren Elektrodenkanten ist die störende Wirkung der Vorentladungen im Hinblick auf Ionisation der Außenstrecke dadurch vermieden, daß die Isolierdistanzstücke 13 und 14 und 13', 14' die Elektroden möglichst gut einschließen. Wie ausführliche praktische Untersuchungen ergeben haben und wie auch die sonstigen Erfahrungen der elektrischen Festigkeitslehre bestätigen, ist es dabei nicht entscheidend, daß diese Kragen fest an den Elektroden anliegen, ein geringes Spiel zwischen Kragen des Isolierdistanzstückes und den Elektroden beeinträchtigt die Barrierenwirkung dieser Kragen keinesfalls. Praktische Versuche haben ergeben, daß eine Löschfunkenstrecke, die in ihrem Aufbau nach F i g. 1 einen Außendurchmesser von etwa 60 mm besaß, bei einer Ausführung nach F i g. 3 bei unveränderten Metallelektroden in ihrem Außendurchmesser auf etwa 40 mm, d. h. auf etwa 67 % des ursprünglichen Maßes reduziert werden konnte, was eine ganz erhebliche Einsparung bedeutet. Durch die in F i g. 3 vorgeschlagene Ausführung der beiden Kragen mit verschiedenem Außendurchmesser und das dadurch mögliche gegenseitige übereinandergreifen wird eine besonders wirksame Abschirmung der Elektroden nach außen erreicht.

Wie praktische Versuche weiterhin ergaben, ist es besonders vorteilhaft, die Isolierdistanzstücke aus hochwertigem Preßspan herzustellen, da dieser sehr gut wärmebeständig ist, eine ausreichend hohe Dielektrizitätskonstante besitzt, um die Vorionisation einzuleiten und der weiterhin den Vorzug besitzt, daß die Isolierkragen in einem Ziehvorgang einfach und sauber hergestellt werden können.

Die Verringerung des Außendurchmessers der Löschfunkenstrecke nach F i g. 3 wird noch dadurch unterstützt, daß zur gegenseitigen Fixierung der durch die Isolierdistanzstücke in Abstand gehaltenen Elektroden nicht ein Isoliergehäuse relativ großer Wandstärke, sondern dünne Streifen aus Isoliermaterial, und zwar am zweckmäßigsten hochwertigem Preßspan verwendet werden. Diese weitere Erfindungsidee ist in F i g. 4 wiedergegeben. Hier ist ein Isolierdistanzstück mit besonders hohem Kragen zur Abschirmung der Schlußelektroden mit 15 bezeichnet. Diese so aufgebaute Funkenstrecke ist mit einem, zwischen den Endarmatoren 16 der Löschfunkenstrecke gespannten Preßspanstreifen 17 verspannt. Der Preßdruck der Funkenstrecke wird durch eine in an sich bekannter Weise für Stoßströme überbrückte Spiralfeder 18 in dem Federgehäuse 19 aufgebracht.

In den F i g. 3 und 4 sind zur Abstandshalterung der Elektroden lediglich Isolierdistanzstücke verwendet worden. Es ist jedoch auch möglich, zum Ausgleich kleinerer Abweichungen in der Ansprechspannung der Löschfunkenstrecke zwischen die in F i g. 3 mit 14 und 13' bezeichneten Isolierdistanzstücke auch sehr dünne einfache Ringscheiben aus Isoliermaterial einzubauen.