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Die
Erfindung betrifft eine Funkenstreckenanordnung zum Einsatz in der
Stromversorgung, insbesondere in Niederspannungsnetzen.
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Leistungsfähige Blitzstromableiter
mit folgestrombegrenzenden Eigenschaften, wie sie in Niederspannungsnetzen
zum Schutz gegen Blitzbeeinflussungen eingesetzt werden, stoßen die
im Funkenstreckenraum (Lichtbogenkammer) während des Ableitvorganges durch
den Lichtbogen produzierten heißen,
ionisierten Gase mit relativ hohem Druck in Form einer Druckwelle über definierte
Austritts- bzw. Ausblasöffnungen
aus. Dadurch wird erreicht, dass die durch den Ableitvorgang und
den damit verbundenen hohen Energieumsatz an der Funkenstrecke entstehenden
extremen Druck- und Temperaturbelastungen soweit reduziert werden,
dass solche Ableiter in kleinen, kostengünstigen Gerätegehäusen untergebracht werden können. Solche
Funkenstreckenanordnungen sind beispielsweise aus
DE 196 19 334 AI bekannt,
sowie Inhalt der älteren,
aber nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung
DE
197 17 802 A1 . Bei derartigen Funkenstreckenanordnungen
besteht aber durch die ausgestoßenen
ionisierten und damit leitfähigen
Gase für
das unmittelbare elektrische Umfeld die Gefahr, daß unkontrolliert
Störlichtbögen gezündet werden,
welche die Verfügbarkeit
der Anlage empfindlich herabsetzen können. Um dies auszuschließen, geben
die Hersteller solcher Ableiter einen Sicherheitsabstand relativ
zum Ableiter an, innerhalb dessen sich keine anderen elektrischen
Betriebsmittel befinden dürfen. Dadurch
entsteht der Nachteil, daß die
oft günstigen, geringen
Abmessungen der Ableiter selbst nicht effektiv in eine Platzersparnis
in der Anwendung umgesetzt werden können. Zusätzlich ist zu beachten, daß die sich
explosionsartig ausbreitende Druckwelle während des Ableitvorganges von
dem gesamten Installationsumfeld (z.B. Verteilergehäuse) ebenfalls getragen
werden muß.
Vor allem diese Forderung erzwingt eine gezielte Auswahl der Installationsgehäuse nach
diesen Kriterien, deren Wirksamkeit nur durch Blitzstromtests im
Stoßstromlabor
nachzuweisen ist. Deshalb empfehlen die Ableiterhersteller geeignete,
zu diesem Zweck geprüfte
Einbaugehäuse, die
der Planer/Installateur verwenden muß. Dies schränkt den
möglichen
Projektspielraum erheblich ein und verursacht zusätzlich Prüfkosten.
Darüber
hinaus gibt es eine Reihe von Anwendungsfällen, wo die oben genannten
Sicherungsmaßnahmen
nicht realisiert werden können
(z.B. Ex-Schutz). Ferner besteht die Möglichkeit einer Gefährdung von
Personen durch die aus der Austrittsöffnung austretenden heißen, ionisierten
Gase, sofern sich die betreffende Person zu nahe an einer solchen Öffnung befindet. Derartige
Geräte
sind dann trotz vorliegender Schutzbedürfnisse nicht einsetzbar.
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Es
sind zwar Lösungen
bekannt (z.B.
DE 195 06
057 A1 ), die auf hermetisch gekapselten, folgestromlöschfähigen Funkenstrecken
basieren. Hiermit werden zwar all die Nachteile vermieden, die vorstehend
zum Vorhandensein von Austrittsöffnungen
und dem Austreten der unter Druck und hoher Tempe ratur stehenden
Gase aus diesen Öffnungen
erläutert sind.
Allerdings besitzen hermetisch gekapselte Funkenstreckenanordnungen
nur eine eingeschränkte Stoßstromtragfähigkeit
bzw. ein für
viele Anwendungsfälle
unzureichendes Folgestromlöschvermögen. Sie
sind also nicht sehr leistungsfähig.
Darüber hinaus
bedingen derartige Konstruktionen Hochleistungswerkstoffe und stellen
erhebliche Anforderungen an die mechanische und thermische Belastbarkeit
aller Konstruktionskomponenten.
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Aus
der
EP 0 860 918 A1 ist
eine Überspannungsableiteinrichtung
mit zwei in einem Gehäuse beabstandet
voneinander angeordneten Elektroden vorbekannt. Das Gehäuse weist
eine Ausströmöffnung für die ionisierten
Gase auf. Zwischen dieser Ausströmöffnung und
den Elektroden ist eine von den ionisierten Gasen zu durchströmende Kammer angeordnet.
Diese Kammer dient der Abkühlung
der aufgeheizten Gase und wirkt quasi als Druckpuffer. Grundsätzlich ist
jedoch eine Strömung
durch die Kammer hindurch zu den Ausströmöffnungen erforderlich.
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Zum
Stand der Technik ist noch die
CH 570 054 A5 erwähnenswert, welche einen Lichtbogenentladungsschalter
zeigt. Dieser Entladungsschalter besitzt Austrittsöffnungen
für die
Gase in dort vorhandenen Seitenschenkeln. Bei der
DE 897 444 ist anzumerken, daß es sich
gemäß dieser
Lehre um eine ausblasende Funkenstrecke handelt, die eine gegenüber dem
Durchmesser der eigentlichen Röhrenfunkenstrecke
erweiterte Blaskammer aufweist.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Funkenstreckenanordnung zum Einsatz in der Stromversorgung, insbesondere
Niederspannungsnetzen, und mit optimiertem Netzfolgestrom-Löschvermögen anzugeben, wobei die Funkenstreckenanordnung
eine Lichtbogenkammer aufweist, innerhalb derer zwischen zwei Elektroden
der Funkenstrecke der Lichtbogenüberschlag
erfolgt. Die zu schaffende Funkenstrecke soll geschlossen, d.h.
gekapselt ausführbar sein,
so daß selbige
auch dort installiert werden kann, wo üblicherweise aufgrund der Brandgefahr die
Anwendung von ausblasenden Strecken nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Merkmalskombination nach
Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
umfassen.
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So
ist zunächst
vorgesehen, dass der Lichtbogenkammer eine Zwischenkammer (Speicherkammer)
nachgeschaltet ist, deren Volumen erheblich größer ist als das Volumen der
Lichtbogenkammer, wobei als Verbindung zwischen Lichtbogenkammer und
Zwischenkammer ein druckfester, bevorzugt metallischer Durchströmkanal dient.
Die Zwischenkammer nimmt die in der Lichtbogenkammer produzierten
heißen
Gase und Zersetzungsprodukte auf. Während dieser Zwischenspeicherung
erfolgt ein Abbau der Druckwelle und eine Abkühlung. Dieses abgekühlte und
ruhende Gas kann anschließend
entweder in der Speicherkammer verbleiben oder aber an die Umgebung
abgegeben werden.
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Dabei
entsprechen diese Gase etwa den Umgebungsbedingungen, so dass auf
Sicherheitsabstände,
spezielle Installationsgehäuse
und weitere, beim Stand der Technik vorgesehene Maß nahmen verzichtet
werden kann. Diese Wirkungsweise ergibt sich insbesondere daraus,
daß das
Volumen der Zwischenkammer wesentlich größer ist als das Volumen der
Lichtbogenkammer, womit sich beim Übergang der Gase in die Zwischenkammer
deren Druck wesentlich abbaut. Zugleich sinkt in der Zwischenkammer
die Temperatur dieser Gase ab. Ferner wird dieser Effekt noch durch
den genannten Durchströmkanal
erhöht,
der aufgrund seines geringen Querschnittes das Durchströmen der
heißen
Gase aus der Lichtbogenkammer in die Zwischenkammer verzögert.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführung
der Erfindung nach Anspruch 2 befaßt sie sich mit einer Funkenstreckenanordnung
nach Anspruch 1 mit zumindest einer Austrittsöffnung für die durch den Lichtbogenüberschlag
gebildeten, heißen,
unter Druck stehenden Gase und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenkammer
eine oder mehrere Austrittsöffnungen
oder -kanäle
für die
Gase aufweist. Dies unterstützt
die vorstehend geschilderte Kühlung
und den Druckwellenabbau der ionisierten Gase, so daß diese
die Zwischenkammer durch die genannten Austrittsöffnungen gezielt und unschädlich in
die Umgebung verlassen können.
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Anspruch
3 gibt ein bevorzugtes Verhältnis der
Volumengröße der Lichtbogenkammer
zur Volumengröße der Zwischenkammer
an.
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Die
Unteransprüche
4 bis 7 beinhalten Möglichkeiten,
die Wärmeableitfähigkeit
und damit Kühlwirkung
der Zwischenkammer zu verstärken,
wobei im Falle der Anordnung von Löschgas abgebenden Kunststoffen
noch eine Verdampfungskühlung
hinzukommt. Zugleich wird aufgrund der erfolgten Kühlung die
elektrische Leitfähigkeit
der ausströmenden
Gase reduziert. Auch dies ist (siehe die obigen Ausführungen
zum Stand der Technik) ein Vorteil.
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Die
Erfindung ermöglicht
es ferner, durch gezielte Abstimmung einzelner Maßnahmen,
Druck und Massendurchsatz und Temperatur der austretenden Gase zu
optimieren bzw. auf anwendungstechnische Belange abzustimmen. Hierzu
ist die mögliche
Beeinflussung des Massendurchsatzes ṁ von Bedeutung, der
durch das Verhältnis
des Einströmquerschnittes
der Gase in die Zwischenkammer (und der damit einströmenden Gasmenge)
zum Ausströmquerschnitt
aus der Zwischenkammer (und der damit ausströmenden Gasmenge) festgelegt
bzw. bestimmt wird. In Verbindung mit einer entsprechenden Auslegung
der Größe des Volumens
der Zwischenkammer kann hierdurch auch die Druckwelle der austretenden
Gase in ihrer Amplitude und Steilheit beeinflußt werden. Ist beispielsweise
der Ausströmquerschnitt
der Gase aus der Zwischenkammer sehr viel kleiner als der Einströmquerschnitt
der Gase in die Zwischenkammer, so verweilen die Gase in der Zwischenkammer
längere
Zeit. Sie werden entsprechend weiter abgekühlt und erst nach dieser, längeren Verweilzeit
an die Umgebung abgegeben. Durch diesen "Verweileffekt" wird die erläuterte Zwangskühlung in
der Zwischenkammer erreicht, die noch durch zusätzliche wärmeabführende Maßnahmen (siehe Ansprüche 4 bis
6) verstärkt
werden kann. Dabei sollte stets darauf geachtet werden, daß das Volumen des
Hochdruckbereiches (Lichtbogenkammer und Durchströmkanal)
wesentlich kleiner ist als das Volumen des Niederdruckbereiches
(Zwischenkammer und Austrittsöffnungen).
Gemäß Beschreibung
der vorgenannten Maßnahmen
und der Einstellung des Massendurchsatzes kann während der Folgestromlöschung eine
Steuerung des Ausblasverhaltens dieser Funkenstreckenanordnung vorgenommen
werden.
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In
der Praxis werden bei der Unterbrechung des Netzfolgestromes (Kurzschlußstromes)
sich quasi stationäre
Strömungsverhältnisse
im Millisekundenbereich bilden. Die Zwischenkammer beeinflußt diese
Strömungsverhältnisse
nur gering. Bei folgestrombegrenzenden Funkenstrecken mit ihrem
geringen Durchlaßintegral
und damit geringem Leistungsumsatz ist es möglich, die gesamte in der Lichtbogenkammer
produzierte Gasmenge in der Zwischenkammer zu speichern. Bei Realisie rung
einer ausreichenden Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckteil und
dem Niederdruckteil kommt auch die angestrebte Gasströmung hier
nicht zum Erliegen, so daß man bei
solchen Gerätetypen
auf Austrittsöffnungen
verzichten kann. Bei den im Mikrosekundenbereich liegenden Vorgängen der
Blitzstromableitung (Stoßstromableitung)
kommt der Größe der Zwischenkammer
eine entscheidende Bedeutung zu, denn hierbei ist der Aufbau einer
quasi stationären
Strömung
nicht möglich.
In solchen Fällen
setzt die erläuterte
Wirkung der Erfindung ein. Die Zwischenkammer muß dann in ihrem Volumen so
bemessen sein, daß die gesamte,
explosionsartig in der Lichtbogenkammer entstehende Gasmenge von
ihr aufgefangen werden kann (siehe Anspruch 12). In dem Zusammenhang ist
es wesentlich, daß die
Dimensionierung des Einströmquerschnittes
in die Zwischenkammer derart gering ist, daß es hierdurch gewissermaßen zu einer "Düsenverstopfung" kommt und die Gasströmung praktisch
zum Erliegen kommt. Hiermit sinkt die Kühlwirkung und damit auch der
Energieumsatz im Lichtbogen, so daß die Druckentwicklung relativ
gering bleibt. Damit wird es möglich,
zumindest bei kleineren Blitzströmen
auch hier auf die Austrittsöffnungen zu
verzichten.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung von erfindungsgemäßen Ausführungsmöglichkeiten
zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung des Erfindungsprinzipes,
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2 und 3:
Ausführungsmöglichkeiten dieses
Prinzipes,
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4–6:
Ausführung
der Erfindung mit einer "Druck-
bzw. "Überdruckeinrichtung".
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Die
vorstehenden Darstellungen jeweils im Querschnitt und ohne maßstabsgenaue
Darstellung der Lichtbogenkammer und der Zwischenkammer.
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7:
eine für
den Einsatz in der Praxis bestimmte Ausführungsform, ebenfalls im Querschnitt.
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Die
Funkenstreckenanordnung 1 besteht in der schematischen
Darstellung der 1 aus einem einstückigen Gehäuse 2,
das eine Lichtbogenkammer 3, einen Durchströmkanal 4,
eine Zwischenkammer 5 und eine Austrittsöffnung bzw.
einen Austrittskanal 6 aufweist. Zum Verständnis der
Erfindung nicht erforderliche Teile, wie beispielsweise die Elektroden,
sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Der Durchströmkanal 4 verbindet
die Lichtbogenkammer 3 mit der Zwischenkammer 5,
während
die Austrittsöffnung
bzw. der Austrittskanal (es können
auch mehrere Austrittskanäle
bzw. -öffnungen
vorgesehen sein) die Zwischenkammer 5 mit der äußeren Umgebung
der Funkenstreckenanordnung 1 verbindet. Der Druck P1 und
die Temperatur T1 in der Lichtbogenkammer 3 sind entsprechend
größer als
der Druck P2 und die Temperatur T2 in der Zwischenkammer 5.
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Aus
Gründen
der zeichnerischen Darstellung ist das mit der Erfindung vorgesehene,
wesentlich größere Volumen
der Zwischenkammer 5 mit Austrittskanal in Relation zu
dem Volumen der Lichtbogenkammer 3 mit Durchströmkanal 4 nicht
korrekt dargestellt. Es müßte an sich
die Zwischenkammer 5 entsprechend größer bzw. "voluminöser" gezeichnet sein. Das bevorzugte Verhältnis der
Volumina von 3 und 4 zu den Volumina von 5 und 6 beträgt etwa
1:10. Der Durchströmkanal 4 kann
düsenförmig ausgebildet
sein. Ferner kann durch Wahl seines Austrittsquerschnittes 4' (D1) in die
Zwischenkammer und des Eintrittsquerschnittes 6' (D2) aus der
Zwischenkammer in den Austrittskanal 6 der Massendurchsatz ṁ beeinflußt werden.
Ist 6' kleiner
als 4',
so kann zwar bei 4' eine
größere Gasmenge
austreten und in die Zwischenkammer 5 eintreten; während aber
der kleinere Querschnitt 6' den
Austritt der Gase aus der Zwischenkammer verhindert bzw. bremst.
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Zur
Kühlung
der in die Zwischenkammer 5 eingebrachten Gase können deren
Innenwände 5' metallisch
und/oder mit einem bei Erhitzung Löschgas abgebenden Kunststoff
belegt sein. Auch können dort
zusätzliche
Wärmeabführungen,
wie Kühlflächen oder
Kühlrippen
angebracht sein.
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Eine
Funkenstreckenanordnung nach der Erfindung kann entweder einstückig (siehe
die Ausführungsbeispiele)
oder zweistückig
sein. Im letztgenannten Fall besteht das erste Stück aus der
Lichtbogenkammer 3 mit Durchströmkanal 4 und das zweite Stück aus der
Zwischenkammer 5 mit Austrittskanal 6. Beide sind
miteinander fest verbunden, z.B. durch Verschraubungen ihrer Gehäuse miteinander.
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Der
Austrittskanal 6 bzw. entsprechende Austrittskanäle können mit
weiteren Mitteln zur Reduzierung von Druck und Temperatur der Gase
versehen sein. Dies können
beispielsweise (in der Zeichnung nicht dargestellt) düsenförmige Gestaltungen
und/oder weitere Zwischenkammern sein.
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Eine
weitere zweiteilige Ausführung
zeigt 2 mit einem einteiligen Gehäuse 7 und zwei Einsätzen 8 bzw. 9,
von denen einer die Lichtbogenkammer 3 und der andere den
Durchströmkanal 4 aufweist.
Die Austrittsöffnung 6 ist
in diesem Falle seitlich aus dem Gehäuse 7 herausgeführt.
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Die
zweiteilige Ausführung
nach 2 ergibt den Vorteil, daß die beiden Einzelteile jeweils
entsprechend ihrem Verschleiß ausgetauscht
werden können.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 3 ist ähnlich
dem der 2, so daß auch die Bezugsziffern 7, 8 und 9 wieder
verwendet sind. Im übrigen
ist hier das oben genannte Prinzip der "Verdampfungskühlung" dadurch realisiert, daß die Zwischen kammer 5 innenseitig
mit einer Auskleidung 10 aus einem Gas abgebenden Kunststoff
(POM) versehen ist. Statt dessen könnte auch eine metallische
Auskleidung oder Kapselung des Innern der Kammer 5 vorgesehen
sein. Diese beiden Varianten, nämlich
Auskleidung mit einem Gas abgebenden Kunststoff und mit einer Metallisierung
oder Metallkapsel können
auch kombiniert bei ein und derselben Funkenstreckenanordnung vorgesehen
sein. Dies hängt
von den Anforderungen der jeweiligen Anwendungspraxis ab. Auch wären Kapselungen
aus Kunststoff oder Keramik möglich.
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3 zeigt
ferner, daß der
Durchströmkanal 4 gemäß Ziffer 4'' in die Zwischenkammer 5 hinein verlängert ist
und dort in seitlichen Öffnungen 11 endet,
welche die heißen
Gase nach links und rechts sowie nach oben und unten in die Zwischenkammer 5 weiterleiten,
bis sie durch eine Querbohrung 12 in den Austrittskanal 6 gelangen.
Diese Führung
der Gase über
längere
Wege (sogenannte "Umwege") trägt weiter
zur Abkühlung
und Druckentlastung der Gase bei.
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Schließlich kann
der Austritt der Gase durch Verschlüsse in Art von Überdruckventilen
gesteuert sein. So zeigt 4 eine Kugel 13, die
unter der Druckwirkung einer Feder 14 nach oben gedrückt wird.
Gemäß Ziffer 15 drücken die
in der Zwischenkammer 5 befindlichen Gase von oben gegen
die Kugel. Ab einem bestimmten Druck der Gase weicht die Kugel gegen
Wirkung der Druckfeder 14 nach unten aus, so daß die Gase
gemäß Ziffer 16 ausströmen können. Die
Federkraft 14 ist so eingestellt, daß nur bei einer Maximalbelastung,
also erst oberhalb einer kritischen Grenze, die Kugel 13 den
Weg der Gase von 15 nach 16 frei gibt und das
Ausblasen somit erfolgen kann. Damit würde der Ausblasvorgang nur noch
in seltenen Fällen,
z.B. eines extrem großen Blitz-
oder Kurzschlußstromes
erfolgen. Dagegen würde
für den
Fall kleiner Stoßströme, bzw.
während der
Unterbrechung kleiner Netzfolgeströme die gesamte, in der Lichtbogenkammer
produzierte Gasmenge in der Zwischenkammer verbleiben. Auch hieraus ergibt
sich, daß die
vorstehend erläuterten Austrittsöffnungen
bzw. -kanäle
nicht unbedingt vorhanden sein müssen,
sondern nur in solchen Fällen, in
denen die in der Lichtbogenkammer gebildeten Gase nicht vollständig von
der Zwischenkammer aufgefangen und abgekühlt werden können.
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Im übrigen kann
der Ausblasdruck wie z.B. beim vorgenannten Öffnen eines Überdruckventiles auch
als Indikator einer Druckbelastung, z.B. für eine Defektanzeige oder Defektmeldung
verwendet werden; so daß für diesen
Fall der Betreiber der Anlage spezifizierte Maßnahmen einleiten, zumindest
den Ableiter und die zugehörigen
Teile überprüfen kann. Solche
Anzeigen sind in den Ausführungen
der 5 und 6 dargestellt. Im Fall der 5 soll
die Druckerzeugung durch den Lichtbogen dazu benutzt werden, ein
Ansprechen der Funkenstrecke zu registrieren bzw. zu zählen. Dazu
ist eine Membran 17 vorgesehen, die unter dem Druck 15 der
in der Zwischenkammer 5 befindlichen Gase bei Erreichen
eines Grenzwertes nach unten durchgebogen wird (siehe die gestrichelte
Linie 17'),
hierdurch einen Schalter 18 schließt und somit eine entsprechende Meldung
bewirkt. Zugleich kann dies eine Zustandsmeldung des Ableiters sein.
Bei Grenzlastüberschreitungen
können
hierdurch auch Abschaltungen des Ableiters vorgenommen werden. Auch
ist die Zuschaltung eines zentralen Auswertegerätes möglich.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 6 soll die Druckerzeugung durch den Lichtbogen
benutzt werden, um bei einem gewünschten
Druckwert sowohl eine Druckentlastung, als auch eine Signalisierung zu
erreichen. Dazu ist ein der Kugel 13 funktionell entsprechender,
kegelförmiger
Dichtungsteil 19 vorgesehen, der unter der Wirkung von
Federn 20 den Gasströmweg 15/16 zunächst versperrt,
bis der Druck gemäß Ziffer 15 so
groß wird,
daß sich
der Kegel 19 gegen Wirkung der Federn 20 nach
unten bewegt und hiermit das Gas ausströmen kann. Bei entsprechender
Absenkung des Kegels 19 kommt eine Schaltplatte 21 an
zwei Kontakte 22. Hierdurch wird der Stromkreis einer Melde-
oder Signalanlage zur Durchführung
einer solchen Meldung geschlossen. Dies betrifft aber nur einen
geringen Teil der in der Praxis vorkommenden Fälle; während für 80–90% der entstehenden Überströme, insbesondere
Netzfolgeströme,
das Überdruckventil
in der Schließlage verbleibt.
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Die
Ausführung
nach 7 besteht aus einem druckfesten Gehäuse 23,
das einen Bodenteil 24 und einen Kopfteil 25 stirnseitig
umfasst. Ferner sind auch hier eine Lichtbogenkammer 3,
ein Durchströmkanal 4,
eine Zwischenkammer 5 und Leitwege 11, 12 für den Austritt
der vom Kanal 4 her kommenden Gase bei 6 vorgesehen.
In diesem Fall hat aus Gründen
der konstruktiven Vereinfachung der Durchströmkanal 4 den gleichen
Durchmesser wie die Lichtbogenkammer 3.