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Löschfunkenstrecke Die Erfindung bezieht sich auf eine Löschfunkenstrecke,
insbesondere für überspannungsableiter, bestehend aus zwei gegenüberliegenden Elektroden,
die zusammen mit entsprechendem Isoliermaterial zwei nebeneinanderliegende, miteinander
in Verbindung stehende Hohlräume verschiedener Größe begrenzen, wobei der größere
Hohlraum die Funkenlöschkammer und die eine Verengung darstellende Verbindungsstelle
zwischen den beiden Hohlräumen die Überschlaglichtbogenstrecke bildet.
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Eine solche Löschfunkenstrecke ist Gegenstand der deutschen Patentschrift
933 823. Solche Löschfunkenstrecken, die insbesondere bei überspannungsableitern
Verwendung finden, bewirken das Einleiten einer Entladung unter der Einwirkung einer
Überspannung sowie das Löschen des von dem Folgestrom gespeisten Lichtbogens. Der
Folgestrom, der von sehr viel längerer Dauer ist als der Strom, der dem Abfluß der
Überspannung entspricht, führt zu einer Schweißperlenbildung an den Elektroden der
Funkenstrecken. Dadurch wird aber die Größe der überschlagslücke vermindert, was
wiederum zur Folge hat, daß die Zündspannung herabgesetzt und das Löschen des Lichtbogens
beeinträchtigt wird.
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Mit der bekannten Anordnung wurde bereits der Versuch gemacht, den
in der überschlagslücke zwischen benachbarten Elektroden gebildeten Lichtbogen in
einen Teil der Funkenstrecke zu verschieben, in dem der Elektrodenabstand größer
ist, so daß das Löschen des Lichtbogens erleichtert wird und die Schweißperlenbildung
ohne Bedeutung bleibt. Bei der bekannten Anordnung wird dabei die Gasströmung ausgenützt,
die sich infolge der örtlichen Erwärmung durch den Lichtbogen und das dadurch hervorgerufene
Druckgefälle zwischen den verschiedenartigen Hohlräumen einstellt. Die bekannte
Anordnung wirkt indessen nicht in jeder Weise zuverlässig, so daß zuweilen auch
die Verdrängung des Lichtbogens unterbleibt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn
die Elektrodenflächen gewisse Ungleichmäßigkeiten aufweisen oder allein schon auf
Grund ungleichmäßiger lonisierung bzw. Instabilität des Plasmas. Zuweilen kommt
es sogar vor, daß der entstandene Lichtbogen nicht in den größeren Expansionsraum,
sondern in den kleineren, an die Überschlagstelle anschließenden Hohlraum verdrängt
wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine in jeder Weise
zuverlässig arbeitende Löschfunkenstrecke zu schaffen, d. h. eine solche, in welcher
ein einmal gezündeter Lichtbogen stets in den hierfür vorgesehenen Expansionsraum
abgedrängt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der kleinere Hohlraum
so als Druckreflexionskammer ausgebildet ist, daß die durch die reflektierte Druckwelle
und die Gasströmung hervorgerufene Bewegung des Lichtbogens in gleicher Richtung
stattfindet.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind entweder dadurch gekennzeichnet,
daß der kleinere, die Druckreflexionskammer bildende Hohlraum auf der der Verengung
abgewandten Seite eine gekrümmte Begrenzungsfläche aufweist, deren Krümmungsmittelpunkt
in der Verengung liegt, oder dadurch, daß der kleinere, die Druckreflexionskammer
bildende Hohlraum kugelförmig ist.
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Gemäß der Erfindung wird also zusätzlich zu der bereits bei der bekannten
Anordnung ausgenützten Gaskonvektion die in den kleineren Raum abgestrahlte Druckwelle
ausgenützt, um den gebildeten Lichtbogen nachdrücklich in entgegengesetzter Richtung
in den Expansionsraum abzuführen. Dabei ist zu beachten, daß der Übergang eines
Stoßstromes zwischen zwei Elektroden zu einer sehr kräftigen Druckwelle führt, die
sich mit einem explosionsartigen Geräusch bemerkbar macht (vgl. Blitzschlag). Diese
Druckwelle kommt durch die sehr plötzliche, starke Ausdehnung des in dem Entladungskanal
befindlichen Gases infolge der enormen Temperaturerhöhung zustande. Damit wird die
Verdrängung des
Lichtbogens in äußerst kurzer Zeit, beispielsweise
einigen zehn Mikrosekunden erreicht, so daß es in keinem Fall zu einer Schweißperlenbildung
an der kritischen Stelle kommen kann.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Figuren sowie darin wiedergegebener
Ausführungsbeispiele näher erläutert: Die F i g. 1 und 2 zeigen in schematischer
Weise zwei erfindungsgemäße Anordnungen.
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Die F i g. 3 und 4 geben zwei verschiedene praktische Ausführungsbeispiele
der Erfindung an.
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Bei Betrachtung der in F i g. 1 schematisch dargestellten Löschfunkenstrecke
erkennt man, daß die durch den Lichtbogen erzeugte Druckwelle sich nach einer Seite
frei fortpflanzen kann, während sie auf der anderen Seite von einer Reflexionsfläche
zurückgeworfen wird, die so angeordnet ist, daß die Druckwelle wieder auf ihren
Ausgangspunkt, d. h. auf den Lichtbogen, trifft, um diesen in entgegengesetzter
Richtung fortzutragen. Wie aus der Figur ersichtlich, lassen die Elektroden A und
B zwischen sich eine überschlagslücke e, in welcher der Lichtbogen gebildet wird.
Die Reflexionsfläche bildet einen Teil der Wand eines Reflexionsraumes C, durch
den die bei der Entladung erzeugte Druckwelle zu ihrem Entstehungsort, nämlich der
Stelle e zurückgeworfen werden kann, so daß sie sich weiterhin mit hoher Geschwindigkeit
entsprechend den schematisch eingezeichneten Wellenfronten d und
d in den Expansionsraum D fortsetzen kann. Der Teil der Druckwelle, der von
Anfang an in Richtung des Expansionsraums D gerichtet ist, kann sich indessen von
vorn herein frei dorthin fortpflanzen, entspannen und zerstreuen. Beide Teile der
Druckwelle tragen also gemeinsam zur Abführung des Lichtbogens bei. Die voll ausgezogenen
Pfeile, die der ausgesandten Welle entsprechen, und die gestrichelten Pfeile, welche
die zurückgeworfene Welle angeben, erläutern diesen Vorgang. Insbesondere ist dabei
die Reflexionsfläche kugelkalottenförmig gestaltet und besitzt ihren Brennpunkt
an der Stelle e.
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Es ist leicht einzusehen, daß der in den Expansionsraum verdrängte,
nunmehr erheblich längere Lichtbogen besser zu löschen ist. Die Verdrängung des
Lichtbogens wird noch durch den Umstand erleichtert, daß die ausgetriebenen Gase
sehr heiß und sehr stark ionisiert sind, so daß das Gleiten oder neuerliche Zünden
eines Lichtbogens nach den Stellen d bzw. d zu leicht vor sich
geht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann leicht so bemessen werden, daß
das Löschen des Lichtbogens am Ende eines gewünschten Zeitraumes erfolgt, der von
der Strecke zwischen dem Entstehungsort des Lichtbogens und der Reflexionsfläche
abhängt. Im Beispiel der F i g. 2 ist der Reflexionsraum als Ganzes im wesentlichen
kugelförmig ausgebildet. Dabei treten zwar nicht gleich ideale Reflexionsverhältnisse
auf, wie nach F i g. 1, jedoch hat die Erfahrung gezeigt, daß die Verschiebung des
Lichtbogens immerhin in sehr zufriedenstellender Weise erfolgt. Dies gilt auch noch,
wenn der Reflexionsraum der Kugelgestalt nur angenähert ist. Dagegen ist eine geringe
Auswölbung in der Form einer abgeflachten Linse, wie nach einem Beispiel der eingangs
erwähnten deutschen Patentschrift, ohne jede Wirkung hinsichtlich der erfindungsgemäß
angestrebten Reflexion.
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In den F i g. 3 und 4 sind an Hand zweier Schnitte verschiedenartige
Verkörperungen des Erfindungsgedankens gezeigt. Zwei kreisrunde Metallelektroden
A und B von der in F i g. 3 gezeigten Form sind unter Zwischenfügung
einer isolierenden Zwischenlage F einander gegenüber angeordnet, wobei eine ringförmige
überschlagslücke e gebildet wird. Eine zentrale Austiefung bildet den Reflexionsraum
C, an dessen Wänden die Druckwelle zurückgeworfen wird, genauer: an der jeweils
der Stelle der Entladung gegenüberliegenden Wand. Ein Expansionsraum D erheblich
größeren Volumens umgibt ringförmig den Reflexionsraum C bzw. die überschlagslücke
e.
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Die Arbeitsweise einer solchen Vorrichtung ist genau die gleiche wie
diejenige der in F i g. 1 schematisch dargestellten Funkenstrecke. Die in den Reflexionsraum
C eindringende Druckwelle wird nämlich reflektiert und auf den Lichtbogen, der sie
ausgelöst hat, konzentriert, wie durch die Pfeile dargestellt. Im Falle der F i
g. 3 besitzt der Reflexionsraum im wesentlichen Kugelgestalt wie nach F i g. 2.
Die ihn umgebende ringförmige überschlagslücke beeinträchtigt die Reflexion der
Druckwelle kaum. Dagegen bringt sie den doppelten Vorteil mit sich, daß die Elektroden
in Gestalt eines Rotationskörpers sehr leicht ausgebildet sein können und daß die
größere überschlagsfläche die Ausbildung eines Lichtbogens an abwechselnden Stellen
erlaubt. Eine derart ausgeführte Funkenstrecke kann in einfacher Weise durch eine
Vorrichtung zur Vorionisierung der überschlagslücke ergänzt werden, welche den weiteren
Vorteil mit sich bringt, den Zündverzug im Falle von überspannungswellen mit sehr
steiler Front herabzusetzen.
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Ferner können die Elektroden außerhalb des Expansionsraumes eine solche
Oberfläche erhalten, daß die Kapazität zwischen den Elektroden ausreicht, um eine
praktisch lineare Spannungsverteilung über einem Stapel von Funkenstrecken innerhalb
eines überspannungsableiters zu ergeben, ohne daß es nötig wäre, die Funkenstrecken,
wie häufig üblich, mit Widerständen in Nebenschluß zu legen.
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Eine so ausgebildete Funkenstrecke zeigt F i g. 4, die einen Teilschnitt
darstellt. Die Elektroden A und B sind einander gleich und besitzen wiederum eine
kreisrunde Form, die derjenigen eines Tellers nicht unähnlich ist, wobei sie in
der Mitte eine Ausbauchung mit zentraler Austiefung besitzen. Diese beiden Elektroden
schließen jedoch in diesem Falle zwischen sich eine Zwischenelektrode G ein, mit
der sie eine doppelte Funkenstrecke bilden. Die drei Elektroden sind voneinander
mittels zweier ringförmiger Zwischenlagen F1 und F2 aus Isolationsmaterial von der
Dicke c1 bzw. c2 getrennt, welche zwei symmetrisch angeordnete, ringförmige und
hintereinandergeschaltete überschlagslücken ei bzw. e2 bestimmen. Die Reflexionsräume
C1 und C2 sind grob betrachtet halbkugelförmig, und man erkennt ohne weiteres, daß
die reflektierten Druckwellen sich in gleicher Weise ausbilden, wie in einem kugelförmigen
Reflexionsraum, mit dem einzigen Unterschied, daß sie entlang der durch die Zwischenelektrode
G gebildeten Mittelebene zurückkehren. Die Expansionsräume D1 und D2 sind, wie im
Falle der F i g. 3, ringförmig. Die Vorionisierung der überschlagslücken tritt in
diesem Falle durch Büschelentladungen entlang den Stellen dl und d2 am Anschluß
der Elektroden A und B an die isolierenden Zwischenlagen F1 und F2
ein. Die Berührungsflächen der Elektroden A, G und B mit den isolierenden
Zwischenlagen
F1 und F, bilden Kondensatoren, welche in der oben
angegebenen Weise die Spannungsverteilung bewirken.
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Durch Einhüllung mit einem geeigneten Isoliermaterial kann der gesamte
von den Elektroden eingeschlossene Raum leicht abgedichtet werden.