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Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit mehreren, in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken mit scheibenförmigen Elektroden, welche durch kreisringförmige Isolierstoffscheiben voneinander beabstandet sind, wobei die Isolierstoffscheiben mindestens teilweise die Einzelfunkenstrecken seitlich überragen und die Stapelanordnung unter mechanischer Vorspannung gehalten ist gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
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Funkenstrecken mit mehreren, in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken, welche jeweils durch eine Isolierstoffscheibe voneinander beabstandet sind, gehören zum bekannten Stand der Technik. Die Einzelfunkenstrecken sind dabei mit einer Kontaktierung versehen, welche mit Steuerelementen zur Beeinflussung der Spannungsverteilung über der gesamten Stapelanordnung in Verbindung stehen können.
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Funkenstrecken der bekannten Art zeichnen sich dadurch aus, dass diese im Gleichspannungsbereich folgestromfrei eingesetzt werden können. Zusätzlich weisen Funkenstrecken die Eigenschaft auf, dass sie ein hohes alterungsstabiles Verhalten, einen konstant niedrigen Schutzpegel bei mehrmaligem Ansprechen über die Lebenszeit und auch eine niedrige Ansprechspannung der jeweiligen Teilfunkenstrecken besitzen.
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Bei der Stapelfunkenstrecke nach
DE 395 286 für den Mittelspannungs- und Hochspannungsbereich sind mehrere, einander berührende scheibenförmige Widerstandskörper vorgesehen. Jeder Widerstandskörper weist eine oder mehrere Rippen von erheblich höherem spezifischem Widerstand als die übrige Masse der Scheibe auf. Eine hieraus gebildete Scheibenanordnung schafft eine Schutzvorrichtung, die geeignet ist, den nach Einleitung einer Entladung stattfindenden Energieverlust auf das Mindestmaß herabzusenken. Bei der vorbekannten Stapelanordnung sind nur geringe Berührungsstellen zwischen den Scheibenelektroden ausgebildet, welche den Funkenübergang einleiten und eine Funkenentladung gestatten, die sich anschließend schnell über die gesamte Scheibenfläche und folglich über die gesamte Stapelanordnung ausbreitet. Die Ansprech- und Restspannung setzt sich aus der Summe der Einzelwerte der Teilfunkenstrecken zusammen. Hierbei kann es zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung über den einzelnen Teilfunkenstrecken kommen. Lokale Spannungsüberlastungen führen zu möglichen Ausfällen.
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Um den oben genannten Nachteil zu vermeiden, ist es bekannt, parallelgeschaltete Zusatzelemente zur Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung über den einzelnen Teilfunkenstrecken vorzusehen.
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Bezug genommen wird hier auf die
WO 82/00926 A , die eine Parallelschaltung von linearen, nicht-linearen und/oder kapazitiven Steuerelementen offenbart.
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im Niederspannungsbereich unter Berücksichtigung des Stapelprinzips mit Steuerelementen muss eine Isolationskoordination der einzelnen Elemente untereinander betrachtet werden. Dies führt zu einem deutlich kleineren Schutzpegel. Die Energie, die durch die notwendige Blitzstromtragfähigkeit umgesetzt werden muss, ist vom Ableiter sicher abzuführen. Darüber hinaus ist eine maximale Baugröße für üblicherweise relevante technische Anwendungen zu beachten.
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Die gattungsbildende
DE 12 56 306 B offenbart eine Stapelanordnung aus scheibenförmigen Elektroden und isolierenden Distanzstücken, die zumindest teilweise seitlich überstehe. Parallelgeschaltete kapazitive Steuerelemente sind so angeordnet, dass eine asymmetrische Spannungsverteilung über den einzelnen Funkenstrecken resultiert.
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Die einzelnen Funkenstrecken bekannter Stapelanordnungen bestehen aus beispielsweise zwei kreisförmigen Elektroden, welche durch eine Isolierstoffscheibe voneinander beabstandet sind. Der Abstand der Elektroden wird hierbei durch die Dicke der Isolierstoffscheibe definiert.
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Der erwähnte Überstand der Isolierstoffscheibe im Randbereich reduziert die Gefahr ungewollter Außenüberschläge.
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Grundsätzlich ist eine sehr genaue radiale Positionierung von Einzelfunkenstrecken mit ihren zugehörigen Komponenten wesentlich, um reproduzierbare Überschlagsstrecken zu erzeugen. Die Stapelanordnung kann durch Führungsstangen oder dergleichen Mittel verspannt werden. Notwendige Führungen und Elemente zum Verspannen des gesamten Stapels in axialer Richtung dürfen nicht zur Unterbrechung der Druckkräfte mit einer Spaltbildung führen. Eine unerwünschte Spaltbildung kann zu einer Erhöhung des Schutzpegels aufgrund zusätzlicher Luftüberschlagsstrecken führen.
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Bei der Montage derartiger Stapelanordnungen muss weiterhin darauf geachtet werden, dass ein bestimmter maximaler Anpress- oder Verspanndruck nicht überschritten wird. bestimmte Materialien der Isolierstoffscheibe neigen nämlich zu einem sogenannten Fließen, wodurch sich der Abstand zwischen den scheibenförmigen Elektroden verändert, insbesondere verringert. Auch hierdurch kommt es zu einer undefinierten Veränderung der Eigenkapazität und der Ansprechspannung der Teilfunkenstrecken.
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Betrachtet man die wesentlichen Funktionen vorbekannter Funkenstrecken in Stapelanordnungen, nämlich dem Ableiten von 10/350 μs Impulsströmen, so sind alle Teile eines solchen Ableiters erhöhten mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt, was üblicherweise zu einer zunächst reversiblen und später irreversiblen Lockerung des Stapels und damit zu einer Verschiebung der einzelnen Elemente infolge von Druckwellen führt. Eine Lockerung des Stapels kommt neben den Druckstößen auch dadurch zustande, dass bedingt durch eine thermische Belastung der Isolationselemente diese geschädigt werden. Nachteilig sind auch Durchrisse in den Isolationsringen aufgrund einer hohen mechanischen und thermischen Belastung. Solche Risse führen zur Abgabe ionisierter Gase in den äußeren Isolationsbereich der Stapelanordnung oder aber auch zur Aufhebung einzelner Isolationsstrecken durch eine räumliche Verdrängung des Isolationsrings und somit auch zum Kurzschluss entsprechender Teilfunkenstrecken.
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Ein weiteres Problem ist die beim Ansprechen der Funkenstrecken eintretende unkontrollierte Verunreinigung der Isolationselemente. Ein unkontrolliertes Ausblasen von Rückständen infolge des Lichtbogenabbrandes führt zu einer direkten und im Allgemeinen auch flächendeckenden Berußung der Isolationsringe, wodurch die ohnehin bereits niedrige äußere Überschlagssicherheit nachteilig weiter sinkt. Einer möglichen weiteren Vergrößerung des Überstandes der Isolationsringe steht die Tatsache des maximalen Bauraumes, der von der Gesamtanordnung eingenommen werden darf, entgegen.
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Die Bauraumproblematik wird weiterhin dadurch verschärft, dass Raum für die Integration von Steuerelementen in Stapelfunkenstreckenanordnungen geschaffen werden muss.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Funkenstrecke mit mehreren, in Reihe geschalteten, in Stapelanordnung befindlichen Einzelfunkenstrecken mit scheibenförmigen Elektroden anzugeben, welche durch kreisringförmige Isolierstoffscheiben voneinander beabstandet sind und bei welcher ein kontrollierter Druckabbau beim Zünden bzw. Durchzünden der einzelnen Funkenstrecken gewährleistet wird, so dass leistungsbedingte Beschädigungen der Funkenstrecke ausgeschlossen, zumindest jedoch reduziert werden.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
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Die erfindungsgemäße Funkenstrecke ist in folgestromfreier Ausführung für den Gleichspannungsanwendungsbereich vorgesehen und ist mittels spannungsfester und elektrisch voneinander isolierter Steuerimpedanzen steuerbar. Die geschaffene Funkenstrecke sichert ein kontrolliertes Entlüften der Einzelfunkenstrecken und eine Beseitigung von Rückständen und heißem Gas bzw. Plasma infolge des Lichtbogenabbrandes.
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Das kontrollierte Entlüften erfolgt über spezielle Entlüftungskanäle oder Entlüftungsnuten, die sich in den Elektroden oder bevorzugt in den Isolierstoffscheiben befinden. Hierdurch werden Rückstände, heißes Gas oder Plasma radial nach außen abtransportiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird dafür Sorge getragen, dass über die Entlüftungskanäle oder Entlüftungsnuten das heiße Gas nicht in einen überschlaggefährdeten Bereich bzw. in einen solchen Außenumfangsbereich der Gesamtanordnung gelangt, in welcher sich Steuerelemente befinden.
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Das durch die erfindungsgemäße Lösung mögliche kontrollierte Entlüften der Teilfunkenstrecken reduziert ein nachteiliges Atmen des Gesamtstapels mit der Folge einer reduzierten mechanischen Belastung, da der Druck in jeder Einzelfunkenstrecke durch die Entlüftungskanäle gut abgebaut werden kann und sich die mechanischen Kräfte beim Druckaufbau entsprechend reduzieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der mindestens eine Entlüftungskanal oder die mindestens eine Entlüftungsnut einen Auslassbereich, welcher außerhalb eines vor Berußung oder dergleichen zu schützenden Bereiches an der Umfangsseite der Stapelanordnung liegt.
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Die Entlüftungskanäle beginnen kreisringinnenseitig und können dort bei einer Ausführungsform einen konischen Querschnitt aufweisen, welcher in einen zum Auslass gerichteten Kanal mit stetiger Querschnittsfläche übergeht.
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Der jeweilige Entlüftungskanal bzw. die jeweilige Entlüftungsnut verläuft also radial von innen nach außen bezogen auf die kreisringförmigen Isolierstoffscheiben.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann der Querschnitt des jeweiligen Kanales einem V-förmigen Graben entsprechen.
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Die Entlüftungskanäle oder -nuten können einen Bogenverlauf, insbesondere einen kreisbogenförmigen Verlauf aufweisen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Querschnittsfläche des jeweiligen Kanals von der Innenseite zur Außenseite der kreisringförmigen Isolierstoffscheibe reduziert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die jeweiligen Isolierstoffscheiben einen eingebetteten oder integrierten Stützkörper auf. Dieser Stützkörper kann als Stützring ausgeführt sein.
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Das Material des Stützkörpers ist dabei so ausgewählt, dass es eine größere mechanische Festigkeit als das Material der übrigen Isolierstoffscheibe besitzt.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist im jeweiligen Entlüftungskanal bzw. in der jeweiligen Entlüftungsnut ein Aufweitungsabschnitt zur Bildung eines Rückhaltevolumens im Sinne einer Rückhaltekammer für Abbrandrückstände vorgesehen.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
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1 zwei prinzipielle Darstellungen einer Draufsicht auf eine Elektrode und Isolierstoffscheibe einer Stapelanordnung mit angedeutetem, gestricheltem Verlauf eines eingebetteten Stützringes sowie bogenförmigen Entlüftungskanälen, die entweder durchgängig ausgeführt oder nur bis zum Stützring hin gerichtet sind sowie mit einer angedeuteten Lage von Steuerelementen (Steuerelementbereich);
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2 eine Ausschnittsdarstellung eines beispielhaften Isolierstoffringes mit einem grabenförmigen Entlüftungskanal mit der Graben- oder Keiltiefe h und einer V-Form bzw. einer Keilwinkelgestalt des Grabenquerschnittes mit dem Keilwinkel α;
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3 Darstellungen verschiedener Querschnittsabschnitte des Isolierstoffringes ohne Entlüftungskanal oder Graben (obere Darstellung) und mit Entlüftungskanal (unten), wobei der Entlüftungskanal im ersten Abschnitt einen konischen Querschnittsverlauf mit einem Konus- oder Keilwinkel β und einem sich anschließenden stetigen Verlauf besitzt und wobei mit γ ein resultierender Winkel aus den sich ergebenden Grenzflächen bezeichnet ist;
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4 eine Querschnittsdarstellung durch eine Einzelfunkenstrecke mit scheibenförmigen Elektroden, kreisringförmiger Isolierstoffscheibe und gestrichelt angedeuteten Entlüftungskanälen nebst integriertem Stützring;
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5 eine prinzipielle Darstellung einer Draufsicht auf eine Elektrodenvariante A mit keilförmigen Entlüftungskanälen und pyramidenförmiger Kontur unter Erhalt von Schräggrenzflächen inklusive Isolierstoffscheibe einer Stapelanordnung mit einer angedeuteten Lage von Steuerelementen (Steuerelementbereich), wobei die Entlüftungskanäle und die Pyramidenkontur analog der Darstellung der 4 ausgebildet sind;
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6 eine Darstellung eines Schnittes entlang der Linie A-A gemäß 5, das heißt eine Querschnittsdarstellung durch eine Einzelfunkenstrecke mit scheibenförmigen Elektroden, welche eine Pyramidenstruktur und keilförmige Entlüftungskanäle aufweisen sowie kreisringförmiger Isolierstoffscheibe und Stützring;
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7 eine prinzipielle Darstellung einer Draufsicht auf eine Elektrodenvariante B mit keilförmigen Entlüftungskanälen, welche durchgängig auf der Elektrode vorhanden sind und Schräggrenzflächen bilden inklusive Isolierstoffscheibe einer Stapelanordnung mit einer angedeuteten Lage von Steuerelementen (Steuerelementbereich), wobei die Entlüftungskanäle analog der Darstellung zur 2 gestaltet sind; und
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8 eine Darstellung eines Schnittes entlang der Linie A-A nach 7, das heißt eine Querschnittsdarstellung durch eine Einzelfunkenstrecke mit scheibenförmigen Elektroden, welche keilförmige Entlüftungskanäle aufweisen nebst kreisförmiger Isolierstoffscheibe und Stützring.
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Die erfindungsgemäße Isolierstoffscheibe, welche für die Stapelanordnung zum Einsatz kommt, weist eine bevorzugt partielle Rändelung und hierdurch gebildete Entlüftungskanäle auf. Hierdurch können Rückstände, heißes Gas oder Plasma infolge eines Lichtbogenabbrandes kontrolliert aus der jeweiligen Teilfunkenstrecke abtransportiert werden. Durch das kontrollierte Abführen wird einerseits der Druck in jeder Teilfunkenstrecke reduziert, wodurch die gesamte Teilfunkenstrecke nur einer geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt ist und zum anderen das Risiko eines Überschlages durch Verunreinigung im überschlagsgefährdeten Bereich reduziert, da die Entlüftung kontrolliert einen nicht-überschlagsgefährdeten Bereich, zum Beispiel einem Bereich außerhalb der Lage der Steuerelemente (1) zugeführt werden kann.
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Die Entlüftungskanäle können so gestaltet werden, dass neben dem kontrollierten Entlüften die Ansprechspannung jeder Teilfunkenstrecke einstellbar ist, insbesondere gesenkt werden kann, was einen geringeren und konstanteren Schutzpegel zur Folge hat.
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Dieses beruht auf sogenannten Grenzflächen im elektrischen Feld. Durch eine beispielsweise konische Gestaltung oder Anfasung der Isolierstoffscheibe (siehe 2) entsteht im Randbereich eine Isolieranordnung mit zweigeschichteten Dielektrika mit unterschiedlicher Dielektrizitätszahl in Reihe zueinander. Beispielhaft kann es hier um Dielektrika aus Luft und PTFE gehen. Die Verschiebungsdichte D ist in beiden Teilabschnitten nahezu gleich. Das elektrische Feld wiederum durchsetzt die Luft mit einer wesentlich höheren Feldstärke als es im Feld des Isolierstoffmaterials der Fall ist, da sich die Feldstärken ungefähr proportional zur Dielektrizität verhalten. Beim Auftreten einer Spannung teilt sich diese auf den Bereich des Luftabschnittes und des Isoliermaterials auf und zwar umgekehrt im Verhältnis zu den Dielektrizitätskonstanten. Die elektrische Festigkeit in Luft ist geringer als im Isolierstoff. Aus den genannten physikalischen Parametern können im Luftbereich bereits Teilentladungen bzw. Gleitentladungen bei geringeren Spannungen stattfinden, die wiederum die entsprechende Einzelfunkenstrecke der Anordnung zum Überschlag anregen.
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Es gelingt also mit der speziellen Ausgestaltung der Entlüftungskanäle, wie beispielsweise bei der 3 gezeigt, die Vorteile von Schräg-Grenzflächen zu nutzen, ohne dass Probleme hinsichtlich der Alterungsstabilität entstehen. Die Kontaktierung der Elektroden (siehe auch 4) mit in 1 angedeuteten Steuerelementen kann beispielsweise mit Hilfe eines Federelementes realisiert werden und von einer äußeren Isolierung umschlossen sein. Eine derartige Abschottung der elektrischen Verbindungen untereinander dient der Reduzierung der Gefahr von ungewollten Außenüberschlägen.
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Bei den Darstellungen gemäß den Figuren wird von einer kreisförmigen Isolierstoffscheibe 4 ausgegangen. Diese Isolierstoffscheibe 4 weist mehrere, radial orientierte Entlüftungskanäle 2 auf.
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Im Inneren der Isolierstoffscheibe ist ein Stützring 1 angeordnet. Um einen negativen Einfluss von ausströmenden Gasen im Steuerelementebereich zu vermeiden, sind entweder keine Entlüftungskanäle 2 in diesem Bereich (1, linke Darstellung) vorhanden oder es werden Entlüftungskanäle 3 nur bis zum Stützring geführt und dort vom Stützring blockiert.
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Die Entlüftungskanäle 2 können geradlinig radial aber auch bogen- oder spiralförmig verlaufend ausgeführt werden.
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Weiterhin sind die jeweiligen Entlüftungskanäle 2 durch einen Winkel α und die Höhe h frei gestaltbar.
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Eine V-Form bzw. ein keilförmiger Graben als Entlüftungskanal gemäß 2 ist durch den Graben- oder Keilwinkel α und die Graben- oder Keiltiefe h definiert.
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Die jeweiligen Entlüftungskanäle oder Entlüftungsnuten 2 können auch einen konischen Verlauf besitzen, wie dies die Darstellungen nach 3 (untere Darstellung) zeigen.
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Grundsätzlich sei angemerkt, dass die Anzahl der Entlüftungskanäle variabel wählbar ist.
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Die Positionierung und die Lage der Entlüftungskanäle wird so gewählt, dass das Ausblasen von Rückständen infolge von Lichtbogenabbrand nicht in den überschlagsgefährdeten Bereich (Bereich der Steuerelemente) hinein erfolgt.
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Partielle Kanäle zur Entlüftung beeinträchtigen die mechanische Druckfestigkeit der Isolierstoffscheibe nicht.
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Ganz grundsätzlich können die Kanäle zur Entlüftung sowohl in horizontaler als auch vertikaler Richtung keilförmig oder muldenförmig gestaltet werden und so ausgeführt sein, dass sich eine Verjüngung der Kanäle zum Außenrand der Trennstrecke bzw. zur Isolierstoffscheibe 4 ergibt.
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Mit der letzteren Maßnahme wird das Gas im nicht-lichtbogenbelasteten Bereich gekühlt. Der Querschnitt der Entlüftungskanäle kann sehr klein gewählt werden, wobei der Querschnitt der Einzelkanäle mit zunehmender Kanalanzahl weiter reduziert werden kann.
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Bei der Darstellung aus 3 ist ein konischer Abschnitt mit einem Konus oder Keilwinkel β und einem resultierenden Winkel γ aus sich ergebenden elektrischen Grenzflächen gezeigt. Im Anschluss an den konischen Verlauf des betreffenden Teiles des jeweiligen Kanals verändert sich der Kanalquerschnitt und geht in einen stetigen Verlauf über.
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Die Darstellung aus 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Teilfunkenstrecke, bestehend aus zwei scheibenförmigen Elektroden 5 und 6, welche von der kreisringförmigen Isolierstoffscheibe 4 auf Abstand gehalten werden.
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Die kreisringförmige Isolierstoffscheibe 4 weist dabei einen überschlagsgefahrreduzierenden Überstandsabschnitt 7 auf.
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Im Inneren der Isolierstoffscheibe 4 ist der Stützring 1 eingearbeitet.
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Beispielhafte Entlüftungskanäle 2 sind gestrichelt symbolisch dargestellt.
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Für die Isolierstoffscheiben wird vorzugsweise ein einfach zu fertigendes Stanzelement, zum Beispiel aus Vulkanfiber, entsprechender Dicke eingesetzt. Vulkanfiber hat den Vorteil, dass es auch bei sehr geringen Dicken von ≤ 300 μm noch ausreichend formstabil und gut in der Fertigung sowie bei der Montage nutzbar ist. Vulkanfiber bleibt bei thermischen Belastungen formstabil und besitzt nur eine geringe Fließneigung. Bei mechanischer und thermischer Schockwirkung ist dieses Material riss- und bruchfest sowie gegen mechanische Kräfte in allen Achsen äußerst unempfindlich.
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Alternativ und in Kombination zu Vulkanfiber kann PTFE als Material für die Isolierstoffscheiben Verwendung finden. Um die nachteiligen Fließeigenschaften von PTFE zu reduzieren, kann der erwähnte Stützring 1 genutzt werden (siehe 4). Die Entlüftungskanäle können sowohl in das PTFE-Material als auch in den Stützring eingearbeitet sein.
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Die Darstellungen nach den 5 bis 8 stellen Beispiele dar, in denen sich die Entlüftungskanäle anstatt in den Isolierstoffscheiben in den Elektroden befinden. Die erwähnten positiven Aspekte durch die geeignete Gestaltung der Kanäle in den Isolierstoffscheiben sind hier analog vorhanden. Erwähnenswert ist das Abführen des heißen Gases bzw. Plasmas, die Druckreduzierung bezogen auf jede Einzelfunkenstrecke sowie die reduzierte Ansprechspannung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 395286 [0004]
- WO 82/00926 A [0006]
- DE 1256306 B [0008]
