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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.