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Die Erfindung bezieht sich auf einen Funkenstreckenstapel, insbesondere
für Überspannungsableiter, der aus einer Anzahl aufeinandergestapelter Isolierplatten
besteht, von denen jeweils zwei zwischen sich eine Lichtbogenstrecke in einer Ebene
rechtwinklig zur Stapellängsachse zwischen zwei Elektroden, deren je an einer der
Platten befestigt ist, bilden, wobei die entsprechend vertieften Stirnwände der
Platten die Lichtbogenkammer bilden.
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Zum Beispiel zum Schutz von elektrischen Freileitungen gegen Überspannung,
wie sie bei Blitzschlag entstehen kann, werden Einrichtungen verwendet, welche die
Überspannung über eine Lichtbogenstrecke zur Erde ableiten. Dabei kann eine Steuerung
der Ableitung durch eine Änderung der Länge des Lichtbogens, d. h. des Abstandes
der Elektroden erreicht werden.
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Es ist eine derartige Einrichtung bekannt, bei welcher der Lichtbogen
zwischen zwei langgestreckten Elektrodenkanten, die über ihre Länge unterschiedlichen
Abstand haben, von einer Anfangsstrecke mit kurzem Abstand unter dem Einfluß eines
Magnetfeldes in einer Lichtbogenkammer in den Bereich des größeren Abstandes und
damit sich vergrößernden Lichtbogenstrecke verschoben wird. Die Lichtbogenkammer
hat quer zur Lichtbogenstrecke liegende ineinandergehende Rippen mit sich vergrößernder
Höhe, so daß der Lichtbogen bei seiner Auswanderung ständig vergrößert wird. Das
Magnetfeld wird durch eine in Reihe mit der Funkenstreckeneinrichtung und einem
Widerstandsblock des Blitzschutzes geschaltete Spule erzeugt. Parallel zu dieser
Spule ist eine nichtlineare Leitungsstrecke, z. B. ein Hilfslichtbogen oder ein
nichtlinearer Widerstand geschaltet.
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Wenn die Spannung die überschlagsspannung für die Funkenstrecken des
Blitzschutzes übersteigt, wird die Entladung über die Funkenstrecke und die spannungsabhängige
Widerstände zur Erde abgeleitet. Dabei wird gleichzeitig der Strom durch die parallelgeschaltete
leitende Anordnung geführt. Durch den Aufbau des Magnetfeldes in der Spule wird
der Lichtbogen zur Auswanderung gezwungen und dabei abgelöscht.
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Bei Funkenstreckenstapeln ist es bekannt, die Isolierplatten an den
Stirnseiten mit Ausnehmungen zu versehen, so daß die Isolierplatten im Stapel durch
ihre Randbereiche Funkenkammern bilden und daß die Ausnehmungen im Bereich der Zündstrecke
eine größere Tiefe aufweisen und über schräg verlaufende Flächen in parallel zur
Scheibenfläche verlaufende, weniger tiefe Ausnehmungen übergehen. Ferner sind bei
Funkenstrecken Kanäle zum Druckausgleich und des weiteren Paßorgane zur Fixierung
der gegenseitigen Lage der Isolierplatten bekannt.
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Um eine entsprechende Staffelung der Funkenstrecken zu ermöglichen,
ist es bekannt, die einzelnen Elektroden zur Bildung der Funkenstrecken an einer
Anzahl axial aufeinandergestapelter, gegeneinander isolierter Platten derart anzuordnen,
daß eine Anzahl hintereinandergeschalteter Funkenstrecken zwischen benachbarten
Platten gebildet sind.
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Bei derartigen überspannungsableitern kann durch die Verlängerung
des Lichtbogens und die dadurch erzeugten hohen Lichtbogenspannungen die Belastung
der spannungsabhängige Widerstände entsprechend herabgesetzt werden.
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Es ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Funkenstreckenstapel
zu schaffen, bei welchem bei sonst gleichen Abmessungen eine wesentlich stärkere
Verlängerung des Lichtbogens und damit eine wesentlich weitgehendere Entlastung
der spannungsabhängigen Widerstände bzw. umgekehrt bei gegebener Belastung der spannungsabhängigen
Widerstände und damit gegebener Verlängerung des Lichtbogens bis zum Löschen eine
wesentlich kleinere und billigere Ausbildung des überspannungsableiters möglich
wird.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei einer Funkenstrecke
der eingangs genannten bekannten Art an jeder der Isolierplatten an beiden gegenüberliegenden
Stirnseiten je eine Elektrode angebracht ist und die beiden Elektroden mittels eines
Verbindungsniets mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind.
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Dieser erfindungsgemäßen Funkenstreckenstapel bildet gegenüber den
bekannten eine größere Anzahl Teillichtbögen bei gleicher Bauhöhe.
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Um einen guten Druckausgleich der durch die Lichtbögen erzeugten Drücke
beidseits jeder Platte und im ganzen Stapel zu erreichen, sind vorzugsweise die
Elektroden an den einzelnen Isolierplatten des Stapels um dessen Längsachse so winkelversetzt,
daß die Enden der durch die Lichtbogenplatte der Elektroden verlaufenden Mittellinien
auf einer Schraubenlinie um die Mittelachse des Stapels liegen. Vorzugsweise verlaufen
die Elektroden an gegenüberliegenden Stirnflächen der Isolierplatten mit ihren gegenüberliegenden
Kanten geradlinig in einem Winkel von 80 bis 135° von der Zündstelle weg divergierend.
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Die Isolierplatten können in bekannter Weise an ihren Stirnseiten
Ausnehmungen aufweisen, so daß die Isolierplatten im Stapel durch ihre Randbereiche
geschlossene Funkenkammern bilden.
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Um eine möglichst günstige Ausbildung der Lichtbogenkammer über den
ganzen Auswanderweg des Lichtbogens zu erreichen, können dabei die Ausnehmungen
im Bereich der Zündstrecke eine größere Tiefe aufweisen und über schräg zur Oberfläche
verlaufende Fläche in parallel zur -Plattenfläche verlaufende weniger tiefe Ausnehmungen
übergehen, welch letztere die Löschkammer bilden.
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Beim Auswandern des Lichtbogens treten insbesondere infolge der relativ
flachen Ausbildung der Löschkammer erhebliche Druckdifferenzen zwischen beiden Seiten
des Lichtbogens auf. Um diese Druckdifferenz auszugleichen und damit die Isolierplatten
des Stapels weiter zu entlasten, kann die Zündkammer in bekannter Weise (deutsches
Patent 933 823) mit der Löschkammer über einen durch rinnenförmige Vertiefungen
in den Stirnflächen gebildeten Kanal zum Druckausgleich beidseits des Lichtbogens
verbunden sein. Die einer Druckverteilung um den ganzen Umfang des Stapels und einer
gleichförmigen Wirkung des Magnetfeldes dienende Winkelversetzung der Mittellinien
der Lichtbogenspalte in aufeinanderfolgenden Lichtbogenkammern beträgt vorzugsweise
120°, so daß jeweils jede vierte Platte in gleicher Winkellage liegt.
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Um eine gegenseitige Verschiebung der aufeinanderliegenden Isolierplatten
zu vermeiden, kann jede Stirnfläche der Isolierplatten außer der Ausnehmung für
die entsprechende Elektrode eine Ausnehmung aufweisen, in welche sich die an der
gegenüberliegenden Stirnfläche der im Stapel anliegenden Isolierplatte einlegt.
Um
die gewünschte Winkelversetzung der einzelnen Platten zueinander auf einfache Weise
sicherzustellen, können an den Stirnflächen der Platten Paßorgane vorgesehen sein,
welche die Winkellage der gestapelten Platten zueinander festlegen. Da an den Enden
des Stapels nur an der Innenseite der Abschlußplatte eine Elektrode erforderlich
ist und an der Außenseite ein elektrischer Kontakt mit den angrenzenden Magnetspulen
hergestellt werden muß, kann zur Vereinfachung der Herstellung als Abschlußplatten
an den Enden des Stapels an den Außenseiten an Stelle der Elektroden über die ganze
Fläche verlaufende Metallplatten mittels Niet mit dei auf der inneren Stirnfläche
liegenden Elektrode mechanisch und elektrisch verbunden sein.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 teilweise im Axialschnitt einen
in einem Überspannungsableiter verwendbaren Funkenstrekkenstapel mit zugeordneter
Magnetspule, F i g. 2 eine Draufsicht auf die Abschlußplatte des Funkenstreckenstapels,
F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig.2, F i g. 4 eine Draufsicht
auf eine Isolierplatte, F i g. 5 eine Seitenansicht der Isolierplatte gemäß F i
g. 4 von rechts, F i g. 6 einen Schnitt entlang Linie 6-6 in F i g. 4, F i g. 7
einen Schnitt entlang der Linie 7-7 in F i g. 4, F i g. 8 eine Ansicht der Unterseite
der Isolierplatte gemäß F i g. 4, F i g. 9 einen Schnitt entlang der Linie 9-9 in
F i g. 8, F i g. 10 einen Schnitt entlang der Linie 10-10 in F i g. 4, F i g.
1,1. eine Schrägansicht der Isolierplatte gemäß F i n. 4 und F i g. 12 einen
erfindungsgemäßen Funkenstreckenstanel, wobei die Teile auseinandergezogen dargestellt
sind.
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Die Teilfunkenstreckenstapel 48, 49 des Funkenstreckenstapels 30 sind,
wie in F i g. 1 dargestellt, zusammen mit Magnetspulen 50, 51 durch Zwischenscheiben
und eine Anzahl von Keramikstangen gehalten.
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In F i g. 2 und 3 ist eine Abschlußplatte 67 gezeigt, die aus einer
Isolationsstoffplatte 70 und einer Metallplatte 71, welche in Ausnehmungen auf der
Oberseite der Platte 70 eingreift, besteht. Die Platte 70 ist ähnlich der Isolierplatte
81. der Elektrodenplatten 80.
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Die beiden Platten und eine Elektrode 73 werden durch einen Niet 72
zusammengehalten und sind somit elektrisch verbunden. Zur Lagerung der Elektrode
73 ist an der unteren Seite der Platte 70 eine Ausnehmung vorgesehen. Die Metallplatte
71 hat eine radiale Aussparung 74 zur Aufnahme der Klemmösen des Stapels.
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Die Metallplatte 71 stellt die elekrtische Kontaktverbindung zwischen
der Magnetspule und der Elektrode 73 her.
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In den F i g. 4 bis 12 sind die Elektrodenplatten gezeigt, beispielsweise
die Platten 75 des Funkenstreckenstapels 48 oder die Platten 76 des Funkenstreckenstapels
49 (F i g. 1). Gemäß den F i g. 4, 7 und 10 besteht die Elektrodenplatte 80 aus
einer Isolierplatte 81 und weist zwei Elektroden 82 und 83 auf, die an den gegenüberliegenden
Seiten mittels zweier Niete 84 befestigt und elektrisch verbunden sind. Die
Isolierplatte 81 weist an ihrer Oberseite einen Randwulst 85 und an ihrer Unterseite
eine entsprechende Ausnehmung 86 auf, Diese Randwülste und Ausnehmungen 85 und 86
von im Stapel benachbarten Platten greifen ineinander und dienen zur Ausrichtung.
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Die obere Seite der Isolierplatte 81 hat in der Fläche 90 eine erste
Ausnehmung 87 zur Lagerung der Elektrode 82, und eine zweite Ausnehmung 88 zur Aufnahme
der Elektrode 83 der gegenüberliegenden Platte. Die Ausnehmungen 87 und
88 liegen zu einer Mittellinie 89 symmetrisch, die mit der Schnittlinie 6-6
zusammenfällt.
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Die Isolierplatte 81 hat eine Ausnehmung 91, wie in F i g. 6 gezeigt
ist. Sie ist gleichmäßig zwischen den inneren Enden der Ausnehmungen 87 und 88 und
dem einen Ende der Mittellinie 89 innerhalb des Randwulstes 85 angeordnet und bildet
eine Fläche einer Lichtbogenzündkammer im Bereich der Kante 92 der Elektrode 82.
Die Ausnehmung 91 steigt mit einer Schrägfläche 93 nach oben und geht in die Fläche
94 über, welche etwas tiefer als die Fläche 90 liegt. Die Fläche 94 der Isolierplatte
81 bildet mit der entsprechenden Fläche der benachbarten Isolierplatte eine Löschkammer
für den Lichtbogen. Die Schrägflächen 93 bilden eine Übergangskammer, die Ausnehmung
91 und die Flächen 93 und 94 bilden mit der anliegenden Oberfläche der nächsten
Elektrodenplatte 80 die Lichtbogenkammer.
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Zur Verlängerung des Lichtbogens während seiner Auswanderung in der
Lichtbogenkarnmer liegen die Innenkanten der Elektroden divergierend. Der Divergenzwinkel
zweier einander zugeordneter Elektroden ist derart, daß ein erneuter Überschlag
des Lichtbogens durch die Spannungserhöhung an der engsten Stelle der Elektroden,
d. h. an den Elektrodenkanten 92 (F i g. 4) verhindert wird. Der Divergenzwinkel
kann sich in Abhängigkeit von den auftretenden Lichtbogenspannungen beträchtlich
ändern. Es können Winkel von 130° in Frage kommen, um beträchtliche Lichtbogenspannungen
zu erzeugen. Es können auch sehr kleine Winkel in Frage kommen. Ein Divergenzwinkel
von 100° ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung benutzt. Hierbei
haben die parallelen Wände der Lichtbogenlöschkammer einen Abstand von ungefähr
0,5 mm.
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Die durch die Fläche 94 der Isolierplatte 81 gebildete Lichtbogenlöschkammer
ist an ihrem äußersten Ende durch den Eingriff des Randwulstes 85 in die Ausnehmung
86 der benachbarten Platte abgeschlossen. Durch einen derartigen dichten Abschluß
wird die bei der Lichtbogenauswanderung in dem geschlossenen Raum der Lichtbogenkammer
auftretende Druckdifferenz das Auswandern unter Umständen behindern.
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Es ist ein Kanal 97 vorgesehen, der um die zweite Ausnehmung 88 für
die Elektrode herum verläuft und in dem das Gas innerhalb der Lichtbogenkammer von
einer Seite des Lichtbogens auf die andere Seite überströmen kann. Der Kanal 97
besteht aus drei Teilen. Die erste rinnenförmige Vertiefung 98 erstreckt sich zwischen
dem Randwulst 85 und der Fläche 90 von der Ausnehmung 91 um ungefähr
150° des Umfangs. Die zweite rinnenförmige Vertiefung 99 erstreckt sich ein kurzes
Stück etwa radial nach innen. Die dritte Vertiefung 100 erstreckt sich
von
der rinnenförmigen Vertiefung 99 in Richtung zur Ausnehrnung 91. Die rinnenförmige
Vertiefung 98 des Kanals 97 liegt tiefer als die Fläche 90.
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Ein Paßorgan 102 in der Fläche 90 der Isolierplatte 81 ragt von der
Randwulst 85 aus radial nach innen.
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Gemäß F i g. 8 hat die untere Seite der Isolierplatte 81 die gleiche
Gestalt wie ihre obere Seite. Sie hat die Ausnehmungen 105 und 106 zur Lagerung
der Elektrode 83 bzw. zur Aufnahme der Elektrode 82 der benachbarten Platte. Ebenso
sind eine Zündkammerfläche 107, eine Löschkammerfläche 108 und eine schräge Fläche
109 ähnlich der Ausnehrnung 91, der Fläche 94 und der schrägen Fläche 93 vorgesehen.
Die Druckausgleichskammer 110 hat zwei rinnenförmige Vertiefungen 111 und 112. Die
Randfläche 113 an der rinnenförmigen Vertiefung 114, die der Fläche 90 der oberen
Seite entspricht, und der entsprechende Randwulst 85 der benachbarten Platte bilden
einen Kanal, der die Zündkammerfläche 107 mit der rinnenförmigen Vertiefung verbindet.
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Die Anordnungen an der unteren Seite der Isolierplatte 81 sind zur
oberen Seite so winkelversetzt, daß die Mittellinie durch die Lichtbogenspalte der
Elektroden 115 gegen die entsprechende Mittellinie 89 der oberen Seite gemäß F i
g. 4 um einen Winkel von 120° verdreht ist. Die Zündkammerfläche 107 liegt dadurch
gegenüber dem Paßorgan 102 an der oberen Seite der Platte. Die Ausnehmung 91 auf
der Oberseite dagegen liegt gegenüber dem Paßorgan 116 auf der unteren Seite der
Platte. Außerdem liegt die Elektrode 83 quer zur Elektrode 82.
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Die Stirnfläche 117 auf der oberen Seite der Isolierplatte 81 liegt
diametral gegenüber der Stirnfläche 118 auf der unteren Seite. Diese Flächen dienen
zur Aufnahme der Paßorgane 102 und 116 der anliegenden Platten.
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Durch diese erläuterte Anordnung erhält man eine schraubenförmige
Anordnung der Elektroden und der Lichtbogenstrecken um die Längsachse des Stapels,
wobei die Niete 84 jeder Platte die elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden
der Platte und damit den aufeinanderfolgenden Lichtbogenstrecken bilden. Die Lage
der einzelnen Elektroden des Stapels und der zugehörigen Magnetspule ist aus der
Darstellung in F i g. 12 ersichtlich. Darin sind hintereinander die Abschlußplatte
67, eine Anzahl Isolierplatten 81 und die Abschlußplatte 68 auf einer gemeinsamen
Längsachse zusammen mit der Magnetspule 55 angeordnet. Die jeweils gegenüberliegenden
Kanten 92 der Elektroden 82 und 83 bilden je eine, insgesamt also fünf Lichtbogenstrecken,
wie in F i g. 12 gezeigt ist. Sämtliche Funkenstrecken, die aus den verschiedenen
Elektroden gebildet sind, liegen um die Längsachse des Stapels in gleichmäßiger
Umfangsteilung und sind dem Magnetfeld der Magnetspule 55 gleichmäßig ausgesetzt.
Alle Lichtbögen zwischen den Kanten der verschiedenen Elektrodenpaare werden also
gleichzeitig nach innen auf die Längsachse des Stapels zu verschoben und dabei gleichmäßig
verlängert.
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Gemäß F i g. 1 hat die Isolierplatte 81 eine Ausnehmung 91, die eine
Lichtbogenkammer bildet, welche dem Paßorgan 116 gegenübersteht. In gleicher Weise
hat die angrenzende Isolierplatte 81 eine Ausnehmung 107 zur Bildung einer Lichtbogenkammer,
welcher das Paßorgan 102 gegenübersteht. Der zwischen den Ausnehmungen 91 und 107
liegende Teil der Isolierplatte 81 ist in F i g. 4 und 8 mit 117 und 118 bezeichnet.
Dieser Teil befindet sich zwischen den Paßorganen 116 und 102 der Platten 81 (F
i g. 1) und steht damit im Eingriff. Die Platten sind so angeordnet, daß die Funkenstrecken
um jeweils 120° gegeneinander zur Längsachse des Stapels winkelversetzt sind. Somit
ist eine durchgehend feste Abstützung aus Isolationsmaterial zwischen den Ausnehmungen
für den Lichtbogen bei jeder ersten, zweiten, vierten und fünften Isolierplatte
des Stapels vorhanden, z. B. zwischen den Ausnehmungen einer jeden ersten und vierten
Funkenstrecke. Es wirken also die Drücke, die in den Lichtbogenkammern erzeugt werden,
gegeneinander. Die Isolierplatte 81 kann aus einem anorganischen, gießfähigen Kunststoff
hergestellt werden, wobei die Dicke für die Platte sehr gering sein kann.