DE2339564A1 - Leiterschutz mit ableiter und ausfall-ueberwachungsschaltung - Google Patents
Leiterschutz mit ableiter und ausfall-ueberwachungsschaltungInfo
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Description
0HVlNO. Ol ETER K. SPEISER
BREMEN Dn «en. NAT HORST ZINNQREBE
Anmelder/INH: RELIABLE ELECTRIC COMPANY AKTENZE.CHEN: Neuanraeldung
datum 30. Juli 1973
RELIABLE ELECTRIC COMPANY, eine Gesellschaft nach den
Gesetzen des Staates Delaware, 11333 Addison Street, Franklin Park. Illinois 60131, V.St.A.
Leiterschutz mit Ableiter und Ausfal!-Überwachungsschaltung
Die Erfindung beschäftigt sich mit Leitungsschutzvorrichtungen für Übertragungsschaltungen, beispielsweise
Telefonleitungen ο-dgl.
Die Art an Leitungsschutzvorrichtungen, mit der sich die vorliegende Erfindung beschäftigt, ist in erster Linie
zum Schutz von Drahtleitungen und damit verbundenen
Einrichtungen vor elektrischerÜberspannung bestimmt,
die sich aus Blitzschlag, Fehlern In der Spannungsversorgung u.dgl. ergeben kann. Schutzvorrichtungen für
diesen Zweck können verschiedene Formen annehmen. Man trifft häufig eine Art, bei der eine Funkenstrecke
vorgesehen ist, an der die Überspannung liegt, wodurch eine kurzzeitige Überspannung über die Funkenstrecke
zur Erde abgeleitet wird. Nach Abklingen der kurzzeitigen Überspannung kehrt die Schutzvorrichtung in ihren normalen,
nicht leitenden Zustand zurück. Di· Funkenstreck· kann in einem Ableiter vorgesehen sein, der aus Abstand
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HZ/gs
aufweisenden Kohleelektroden mit Luftzwischenraum
bestehen kann; die Funkenstrecke kann auch in einer abgedichteten Gasröhre ausgebildet sein« Ein Ableiter
mit einer dichten Gasröhre ist im wesentlichen eine Kaltkathoden-Entladungsröhre. Gasröhrenableiter haben eine
viel größere Lebensdauer als Ableiter, die Kohleelektroden-Funkenstrecken besitzen.
Man hat jedoch festgestellt, daß relativ lang andauernde
Überspannungsverhältnisse zu einem Zusammenbruch gewöhnlicher Ableiter, sie seien nun von der Art einer
Funkenstrecke oder in anderer Weise aufgebaut, führen können. Insbesondere bei Gasröhren sind verschiedene
.Ausfallüberwachungsmethoden im Inneren der Gasröhre
geschaffen worden, um die Leitung im Falle des Ausfalls der Gasröhre wegen einer langandauernden Überspannungsbedingung
zu schützen. Derartige Anordnungen erfordern nahezu zerstörerische Bedingungen in der Gasröhre, damit
der Überwachungsmechanismus ansprechen kann. Häufig stellt sich dabei Gasverlust und folglich der Verlust
der Schutzwirkung ein, ehe der Selbstschutzmechanismus bzw. die Ausfallüberwachungsschaltung anspricht. Dadurch
können schädigende Überspannungen auf der Leitung bleiben. Weiter erfordern Gasröhren mit inneren Ausfallüberwachungsschaltungen
häufig eine besonders aufwendige Konstruktionund sehr viele Kompromisse bezüglich
des Elektrodenmaterials, der Gasmischung und des Druckes u.dgl.,um eine Ausfallüberwachungseinrichtung zu ermöglichen,
und gleichzeitig eine normale Schutzwirkung gegenüber kurzzeitige Überspannung zu haben.
Nach der Erfindung soll daher eine Leitungsschutzvorrichtung der erwähnten Art geschaffen werden, bei der
der SelbsttchutzmechanisBus durch einen Ausfall des Ableiters oder der Funkenstrecke nicht ebenfalls an
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zuverlässigem Betrieb gehindert wird. Ferner soll die Überspannungs-Ableiter-Einheit trotz des vorhandenen
Selbstschutzmechanismus einen möglichst einfachen Aufbau
haben·
Dazu ist erfindungsgemKß vorgesehen, daß eine SelbetschutE-bzw.
Ausfallüberwachungs-Schaltung außerhalb des
Ableiters engeordnet ist, wodurchbei einer Überspannung
von solcher Größe und Dauer, daß sie für den Ableiter zerstörend wirken würde» die externe Selbstschutzschaltung
anspricht und einen direkten Weg zur Masse herstellt, der an dem Ableiter vorbeiführt. Weiter besitzt
die erfindungsgemäße Vorrichtung eine, zweite Funkenstrecke
zur Strorn-Ableitunq nach Masse für den Fall, daß der Ableiter ausfällt.
Eine Ausführungsform der Erfindung weist eine äußere Schale oder Kappe auf, die in die Wellung eines Sicherurigsblockes
eingeschraubt werden kann, wodurch eine Seite der Sicherung mit der Leitung und die andere Seite mit einem
Masseanschluß verbunden werden kann.Innerhalb der äußeren
Schale befindet sich ein Nebenstromweg, der eine einen hohen Strom führende Verbindung »n geringer Induktivität
mit der Kappe bildet. In dem Nebenstromweg befindet sich eine leitende Scheibe, die leitend an einer Elektrode
einer Gasentladungs-Funkenstrecke anliegt. Die gegenüberliegende Elektrode der Gas-Röhre ruht auf einem Lotstück,
und die Gasröhre sowie das Lotstück befinden sich innerhalb eines leitfähigen Bechers. Eine isolierende
Hülse mit mehreren Löchern umgibt den Becher und wird ihrerseits von dem Nebenstromweg umgeben. Der Becher
kann auf einem Kontakt des Sicherungsblockes aufliegen. Eine Feder in dem Becher beaufschlagt die Scheibe, die
isolierende Manschette und den Nebenstromweg sowie den Ableiter mit Druck, so daß eine der Elektroden der Punken-
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strecke fest gegen die Scheibe drückt· Die andere Elektrode der Funkenstrecke drückt fest gegen das Lotstück, das
von dem Boden des Bechers gehalten wird. Die Scheibe wird daran gehindert, den Becher zu berühren, solange
wie das Lotetück fest bleibt. Wenn andererseits das
Lotstück aufgrund einer lang andauernden Überspannung
auf der Leitung schmilzt, ISßt die Feder die Scheibe
den Becher berühren und einen metallischen Erdungspfad von hoher Stromaufnahmekapassitat bilden, der an der
Funkenstrecke vorbeiführt· Die perforierte Isoliermanschette bildet eine zweite Funkenstrecke zwischen
dem Becher und dem Nebenschluß, dessen Überschlag-Spannung größer als die normale Überschlagspannung des Ableiters,
jedoch geringer ist als die wahrscheinliche Überschlagspannung des Ableiters, wenn letzterer schadhaft
ist.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Im einzelnen
zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt längs der Mittelachse einer Leitungssicherung, in der die Erfindung
verkörpert ist, wobei die Sicherung sich in ihrem Normalzustand befindet und in einem Sicherungsblock oder einem sonstigen
Chassis befestigt ist;
Fig. 2 einen der Fig. 1 ähnlichen Längsschnitt, der die Sicherung in einem Zustand zeigt,
nachdem an ihr eine Überspannung relativ langer Dauer lag;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Isoliermanschette als besonderer Bestandteil der
Erfindung; und
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Shuntteiles, in dem sich ebenfalls die Erfindung
verkörpert.
Die Leitungssicherung 2 besitzt eine Metallblechkapsel 4 mit einem radialen Ringflansch 6, der in axialer Rich-
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tung etwas Abstand von der Stirnseite der Kapsel einhält· Die Kapsel 4 besitzt eine zylindrische Wandung
mit einem Gewinde 8 und einem nach unten weisenden zylindrischen Anhang 10 neben dem Gewinde 8. Der Anhang
10 läuft in einem offenen Ende der Kapsel 4 aus.
Koaxial in den kreisförmigen Ansatz 10 ist ein metallisches Shunt-Teil 12 eingeschoben. Das Shunt-rTeil 12
besitzt eine Seitenwand 14 und eine Stirnwand 16. Bereits bei der Herstellung ist der Seitenwand 14 eine etwas konische
Form (Fig.4) gegeben worden, wobei ein sich bis in die Stirnwand 16 und in ein dort befindliches Loch
20 erstreckender Schlitz 18 aus nachstehend erläuterten Gründen freigelassen wurde.
In dem Shuntteil 12.ist koaxial eine tubusförmige Isoliermanschette
22 eingesetzt, die aus extrodiertem oder gespritztem Plastik geeigneter Art besteht* Beispielsweise
ist ein Polyvinyl-Chlorid-Harz, Polypropylenmodifiziert
geeignet. Die Isoliermanschette 22 weist einander gegenüberliegende Innenrippen 24?24 auf, die
sich in Längsrichtung der Tubuswand erstrecken. Die Manschette 22 besitzt ferner eine Reihe von Löchern 26,
die in einem Muster um die Manschette herum sowie in deren Längsrichtung angeordnet sind, wie man dies am
besten aus Fig.3 erkennt. Die Wandstärke der Manschette kann in der Größenordnung von 0,30 mm liegen.
In dem oberen Ende der Manschette 22 sowie koaxial in dem Shunt-Teil 12 befindet sich eine ringförmige, leitende
Scheibe 28. Die Scheibe 28 steht an der Stirnwand 16 mit Shunt-Teil 12 in Verbindung, sowie ferner
mit einer der Elektroden der Gasentladungsstrecke 30, Im einzelnen liegt die Scheibe 28 passend an die Elektrode
der Gasentladungsröhre 30 an, während die andere Elektrode
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34 auf einem schmelzbaren Lotstück 35 von ringförmiger
Form aufsitzt. Die Gasröhre 30 sowie das Lotstück 35
sind in einem leitfähigen Becher 36 beherbergt, dessen Boden 37 das Lotstück 35 trägt. Die Seitenwand des Bechers
36 sitzt koaxial in der Isoliermanschette 22. Die Rippen 24,24 fördern einen guten Sitz des Bechers
in der Manschette 22.
Das Gasrohr 30 ist eine Kaltkathodenröhre, in der Metallelektroden
32,34 einwärts aufeinander zu gebogen sind und eine Funkenstrecke 38 bilden, die in der Gasröhre
30 abgedichtet ist. Beispielsweise kann die Gasröhre eine zylindrische Glas- oder Keramikwand 40 besitzen,
an deren Enden die Elektroden 32,34 dichtend sitzen. Das Innere der Gasröhre 30 kann mit einem inerten Gas
oder einem radioaktiven Gas (Tritium). Alternativ kann das Innere der Röhre 30 ein inertes Gas sowie eine kleine
Materialprobe 42 beherbergen* die eine radioaktive Substanz enthält, die eine Ionisation in der Röhre anregt.
Die radioaktive Stustanz kann beispielsweise pro Promethium 147 sein, das mit einem geeigneten, inerten
vermischt ist«
Eine Spiralfeder 44 sitzt koaxial in der Kapsel 4 und liegt mit einem Ende an der Stirnwand der Kapsel an,
während das andere Ende gegen die Stirnwand 16 des Shunt-Teiles 12 drückt. Wenn die vorstehend genannten
Teile der Sicherung zusammengesetzt sind, ergibt sich ein Reibschluß zwischen der Seitenwand der Kapsel 36
und der Isoliermanschette 22 sowie zwischen der Manschette 22 und der Seitenwand 14 des Shunt-Teiles 12.
In ähnlicher Weise ergibt sich ein Reibschluß zwischen dem Ansatz 10 und der Seitenwand 14 des Shunt-Teiles.
Wenn die Kapsel 4 mit der in ihr beherbergten Feder teleskopartig über das Shuntteil 12 geschoben wird,
wobei der Ansatz 10 gegen die Seitenwand 14 zur Anlage
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kommt, dann wird dies durch den Schlitz 18 ermöglicht,
der sich zu verengen trachtet. Auf die Seitenwand 14
wird durch den Ansatz 10 ein geringer Druck ausgeübt.
Die Seitenwand 14 wird gegen die Manschette 22 gedrückt, #: die ihrerseits gegen den Becher 36 drückt· Die Feder
44 befindet sich in ihrer normalen expandierten Stellung;
jedoch ist der Passitz zwischen den verschiedenen Einzel-'I teilen ausreichend, sie soweit zusammenzuhalten, wie das
für den normalen Umgang und den Einbau notwendig ist.
Die Sicherung 2 kann in einer geeigneten Einsenkung eines dielektrischen Blockes 48 befestigt werden. Das
obere Ende der Einsenkung 46 ist zu einer metallischen Kohtaktplatte SO auegebildet, die einen mit Innengewinde
versehenen Ringflansch 52 zur Aufnahme des Kapselgewindes
β ausgebildet· Das Material des Blockes 48 unter den Flansch 52 ist ebenfalls mit Gewinde versehen, und zwar
soweit, daß die Kapsel 4 soweit in die Einsenkung 46 eingeschraubt werden kann, bis der Flansch 6 gegen die Kontaktplatte 50 anliegt. Am Boden der Einsenkung 46 ist
ein metallischer Kontakt 54 vorgesehen, der gegen den Boden 37 des Bechers 36 anliegt. Die Kontaktplatte 50
und der Kontakt 54 sind in geeigneter Weise mit nicht dargestellten Polklemmen oder ähnlichen Anschlüssen verbunden, wobei die Platte 50 mit Masse verbunden sein
kann, während der Kontakt 54 mit der zu schützenden Leitung in Verbindung steht, oder umgekehrt. Jedenfalls
läßt ein teilweises Einschrauben der Kapsel 4 in die Einsenkung 46 den Becher 36 gegen den Kontakt 54 anliegen. Wenn die Kapsel 4 in ihre Endstellung nach
unten eingedreht worden ist, befindet sich die Feder
in mehr oder weniger zusammengedrücktem Zustand. Die Scheibe 28 besitzt einen Durchmesser, der ungefähr der
gleiche wie der des Bechers 36 ist, hält von ihm jedoch Abstand und zwar wegen des Lotstückes 35.
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ORIGINAL INSPECTED
Man nehme an, daß der Kontakt 54 mit der zu schützenden Leitung verbunden ist und daß auf der Leitung eine
Überspannung von kurzer Zeitdauer steht; dann wird diese Spannung an den Becher 36 angelegt. Wenn die Spannung
die Zündspannung der Glaspntladunosröhre 30 übersteigt,
bildet sich ein Funken in der Funkenstrecke 38 aus und der Strom wird gegen Erde abgeleitet. Somit wird Strom
gegen Erde in einer Reihenschaltung abfließen, die das Lotstück 35, die Elektroden 32 und 34, die Funkenstrecke
38, die Scheibe 28, das Shunt-Teil 12 und die Kapsel 8 enthält. Wenn die Überspannung vorüber ist, stellt sich
die Einheit automatisch in ihre anfängliche Betriebsbereitschaft ein. Wenn andererseits eine lang andauernde
Überspannung an den Kontakt 34 und damit an dem Becher 36 auftritt, wird der Strom wie eben beschrieben, zur
Erde abgeführt. Wenn jedoch wegen der lang andauernden Überspannung zu viel Strom fließt, wird das Lotstück 35
bis zu dem Punkt aufgewärmt, an dem es schmilzt. Die Schmelztemperatur oder mindestens die Erweichungstemperatur
des Lotstückes kann beispielsweise im Bereich von 93°C bis 149°C liegen. Wenn das Lotstück erweicht (Fig.2),
drückt die Feder 44 das Shunt-Teil 12, die Isoliermanschette 26, die Scheibe 28 und die Gasröhre 30 gegen den
Boden 37 des Bechers 36, wodurch die Scheibe 28 in Kontakt mit der oberen Kante des Bechers 36 kommt. Dadurch
ergibt sich ein direkter, metallischer Strompfad von der Kappe 36 zu der geerdeten Platte 50 über die Scheibe
28, das Shunt-Teil 12 sowie die Kapsel 4„ Die Funkenstrecke
38 wird somit kurzgeschlossen, s© daß die Leitung geerdet wird, und zwar unabhängig von dem Betriebsverhalten der
Gasentladungsröhre 30. Normalerweise jedoch ist der Erweichungspunkt des Lotstückes hinreichend niedrig, so
daß die Gasentladungsröhre 30 vor Zerstörung bewahrt wird, wenn eine langandauernde Überspannung auf der Leitung
vorhanden sein sollte.. Zur Wiederherstellung der Sicherung
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ist es notwendig, sie aus der Einsenkung 46 herauszunehmen,
auseinanderzunehmen und dann mit einem neuen Lotstück 35 erneut zu der Sicherung zusammenzusetzen.
Wenn das Lotstück schmilzt, bleibt das Material in dem
Becher 36, so daß es den Betrieb und das Funktionieren der übrigen Bauteile der Sicherung nicht beeinträchtigen
kann. Natürlich verfestigt sich das Lotstück wieder, wenn das Fehlverhalten auf der Leitung nicht mehr besteht,
so daß eine einfache Sache ist, es zu entfernen, wenn die Sicherung auseinandergenommen wird.
Man bemerke, daß der Gasentladungs-Ableiter bis einschließlich zu dsm Zeitpunkt kontinuierlich arbeitet,
an^dem das Lotstück schmilzt oder erweicht, so daß der
Strom um das Gasrohr herum geführt wird· Der Nebenstrompfad kann sehr hohen Strom führen und ist von relativ
niedriger Induktivität. Schließlich enthält der Strompfad nicht die Spiralfeder. Dies zeigt mehrere Vorteile:
Zunächst wird die Feder nicht erwärmt und damit ihre Federeigenschaft nicht beeinflußt, was sonst wegen des
hohen durch öle fließenden Stromes eintreten könnte. Außerdem wird Funkenübersprung zwischen den Windungen
der Feder verhindert, so daß die Feder nicht als Leiter zur Impedanz des Nebenstromkreises beiträgt. Schließlich
werden explosionsartige Funken außerhalb der Gasröhre während sehr hoher Spitzenstromentiadungen vermieden.
Derartige explosionsartige Funken könnten die Feder zusammendrücken und die Gasentladungsröhre aus dem Stromweg
nehmen, wodurch sich ein Verlust an Schutzwirkung vor Spannungsspitzen ergäbe.
Man bemerke, daß die Löcher 26 in der Isoliermanschette 22 eine Funkenstrecke zwischen dem Becher 36 und dem
Shunt-Teil 12 bilden. Diese Funkenstrecke kann als eine
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zweite oder Hilfs-Funkenstrecke betrachtet werden,
deren Überschlagspannung größer als die normale Zündspannung an der Funkenstrecke 38 in der Gasentladungsröhre
30 ist. Gleichzeitig sollte man jedoch festhalten, daß die Funkenstrecke 38 sehr viel größer
als die HiIfsfunkenstrecke ist. Wenn daher die Gasentladungsröhre
beispielsweise wegen eines Lecks ausfallen sollte, wird die uberschlagspannung an der Funkenstrecke
3ö sehr viel größer als die Uberschlagspannung an der Hilfs-Funkenstrecke. Somit wird die Uberschlagspannung
an der Hilfs-Funkenstrecke die Spannung des Sicherunqsausfalls begrenzen. Diese letztere Spannung wird höher
liegen als die normale Zündspannung der Röhre 30, wird jedoch mindestens dazu dienen, einen gewissen Leitungsschutz zu bilden. Sollte weiterhin eine extreme tberstrom-Situation
auftreten, die aus einem langdauernden Funkenübergang an der Hilfs-Funkenstrecke resultieren
kann, wird die dünne Isoliermanschette 22 mindestens lokal schmelzen oder erweichen, so daß das Shunt-Teil
gegen den Becher 36 gedruckt wird. Dadurch ergibt sich ein direkter metallischer Strompfad zur Masse hin.
Während die vorliegende Erfindung in erster Linie sich mit Funkenstrecken—Ableitern von der Art der Gasentladungsröhren
beschäftigt, ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres, daß die Erfindung auch
in anderen Anwendungsfällen von Nutzen sein kann. Weiter kann das schmelz-oder erweichbare Lotstück ein nichtmetallisches Teil sein, das auf irgend eine der bekannten
Weisen aufgrund einer langandauernden Überspannung geschmolzen oder erweicht wird. Derartige bekannte Einrichtungen
könnten eine Heizspule in der Nähe des Lotstückes sein, die in Reihe mit dem Kontakt 54 und der Elektrode
34 geschaltet ist.
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ORiGiNAL iNSPECTED
Insgesamt wurde eine Leitungsschutzvorrichtung mit einem
Ableiter beschrieben, über den Überspannungen von kurzer Dauer auf einer zu schützenden Leitung zur Erde abgeführt
werden· Der Ableiter kann aus einer Funkenstrecke, die in einer dichten Gasentladungsröhre angeordnet ist,
bestehen. Für Oberspannungen von längerer Dauer ist ein Lotstück vorgesehen, das erweicht und eine Feder einen
Stromkreis schließen läßt, der die Gasentladungsröhre shuntet und einen dielektrischen metallischen Strompfad
von der Leitung zur Erde bildet. Eine Hilfs-Funkenstrecke
zwischen gegenüberliegenden Leitern, die durch eine Isoliermanschette
auseinandergehalten werden, hat eine Überschlagspannung, die großer ist als die normale Überschlagspannung
der erstgenannten Funkenstrecke und stellt einen Strompfad zur Masse für kurzdauernde Überspannungen für
den Fall dar, daß der Ableiter ausfällt. Hohe Ströme über die zweite Funkenstrecke erweichen oder schmelzen
die Isoliermanschette und lassen einander gegenüberliegende Leiter einander kontaktieren, die damit eine Erdleitung
bilden.
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Claims (9)
- Ansprüche( l.iLeitungsschutzvorrichtung mit einer zwei Elektroden aufweisenden Funkenstrecke und einem ersten sowie einem zweiten Leiter, von denen einer mit der zu schützenden Leitung und der andere mit Masse (Erde) verbindbar ist, daduroh gekennzeichnet, daß eine erweichbare Vorrichtung (35) die beiden Leiter (12,14;36) normalerweise auseinanderhält, und daß eine Feder (44) bei Erweichen der Vorrichtung (35) aufgrund einer Überstrombedingung die beiden Leiter zusammenführt.
- 2. Leitungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke (38) in einer Kaltkathoden-Gasentladungsröhre (30) dicht eingebaut ist.
- 3. Leitungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leiter (12,14; 36) eine HiIfs-Funkenstrecke bilden, deren Überschlagspannung größer ist als die Uberschlagspannung an der erst erwähnten Funkenstrecke (38).
- 4. Leitungsschutzvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Leitern ein Isolator (22) angeordnet ist.
- 5. Leitungsschutzvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Leiter ein Becher (36) ist, der die erweichbare Vorrichtung (35) enthält und von dem Isolator (22) umgeben ist,409816/0313-■5 3-und daß der zweite Leiter mindestens teilweise den Isolator umgibt·
- 6. Leitungsschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (22) Perforationen (26) aufweist.
- 7. Leitungsschutzvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasentladungsrohr (30) in dem Becher untergebracht ist.
- 8. Leitungsschutzvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter koaxial zueinander angeordnet sind und daß die Funkenstrecke zwischen ihnen durch einen radialen Abstand gebildet wird.
- 9. Leitungsschutzvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Becher in leitender Verbindung mit einem der Leiter (12,14) steht, wodurch sich eine direkte Verbindung zu der zu schützenden Leitung oder Erde ergibt, die an der Feder (44) vorbeiführt.409816/0313Leerseite
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