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Die Erfindung betrifft eine blitzstromtragfähige Funkenstrecke
mit mehreren in Reihe geschalteter. Funkenstrecken.
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Bei einem Blitzeinschlag in ein Gebäude mit einer
Niederspannungsstromversorgung fließt ein hoher kurzzeitiger Blitzstrom über die
metallischen Strukturen nach Erde ab. Während dieses kurzzeitigen Blitzstromes
wird das Potential der im Normalbetrieb als geerdet angesehenen
metallischen Teile (genannt Erde) kurzzeitig um Werte von einigen
100 kV erhöht.
Diese Potentialanhebung der Erde infolge eines Blitzeinschlages
kommt dadurch zustande, daß der
Blitzstrom als eingeprägter
Strom in die Erde hineinfließen
muß und
dabei am endlichen Erdungswiderstand einen Spannungsabfall hervorruft.
Die Leiter der Niederspannungsstromversorgung befinden sich auf
dem vom. Energieversorger bereitgestellten Potential gegenüber der
Erde. Im Normalbetrieb führen
diese Leiter daher die Nennspannung. Durch die vom Blitzstrom am
Erdungswiderstand hervorgehobene Potentialanhebung entsteht nun
eine kurzzeitige Stoßspannung
zwischen der Erde und den Leitern, die sich aus der Differenz der
Potentiale zwischen Erde und Leiter ergibt. Wird das Potential der
Hauptpotentialausgleichschiene um einige 100 kV angehoben, wird
die elektrische Festigkeit der Isolation zwischen den Leitern und
der Erde überschritten
und es kommt zum Überschlag
durch die Luftisolationsstrecke und zum Durchschlag durch die Isolation
der Leitungen. Die Folge dieses Überschlages oder
Durchschlages ist ein dreipoliger Kurzschluß der Niederspannungsstromversorgung.
Durch den dreipoligen Kurzschluß wird
aber eine Verbindung zum einspeisenden Kabel hergestellt, so daß ein Teil des
eingeprägten
Blitzstromes in dieses Kabel hineinfließen kann.
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Der verbleibende Teil fließt weiterhin
in die Erde.
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Die Wirkungen dieses dreipoligen
Kurzschlusses sind
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- ein freibrennender Lichtbogen in der Niederspannungsverteilung
oder in dem einspeisenden Kabel,
- eine mögliche
Vorschädigung
eines Kabels oder Gerätes
mit einem festen Isolierstoff mit der Gefahr eines späteren Schadens
durch langsame Zerstörung der
Isolation durch Teilentladungen oder Kriechströme,
- Ausbreitung einer Druckwelle durch den Lichtbogen,
- Gefahr eines Feuers durch Entzündungen von Isolierstoffen
in dem heißen
Lichtbogen.
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Es fließt ein Netzfolgestrom mit Netzfrequenz
und einer Höhe
von einigen kA bis zu einigen 10 kA, abhängig vom Abstand des Gebäudes von
der nächsten
Transformatorenstation und der Einspeiseleistung.
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Die vorgeschaltete Sicherung wird
den dreipoligen Kurzschluß vom
Netz trennen, wodurch die Stromversorgung ausfällt. Sie kann erst durch Ersetzen
der Netzhauptsicherung durch das Energieversorgungsunternehmen wieder
in Betrieb genommen werden.
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Zur Vermeidung der Schäden infolge
Blitzeinschlages in ein Gebäude
sind Funkenstrecken bekannt. Solche Funkenstrecken werden zum transienten
Potentialausgleich eingesetzt, wobei auch der nachfolgende Netzfolgestrom
gelöscht
wird. Alle bisherigen Lösungen
beruhen darauf, daß die
Funkenstrecke bei einer Blitzüberspannung
gezündet
wird, der Blitzstrom zwischen Erde und Leiter zum Sicherstellen
eines geringen Spannungsabfalls entlang des Lichtbogens abgeleitet
bzw. geführt
wird, der Netzfolgestrom geführt
und gelöscht
wird und eine Wiederverfestigung der Funkenstrecke erfolgt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine blitzstromtragfähige Funkenstrecke
gattungsgemäßer Art zu
schaffen, bei der ein Netzfolgestrom vollständig oder mindestens teilweise
unterdrückt
wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist in
den Patentansprüchen
angegeben.
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Die erfindungsgemäße blitzstromtragfähige Funkenstrecke
basiert auf der Grundidee der Lichtbogenlöschung durch Mehrfachunterbrechung
des Lichtbogens mit Hilfe einer Mehrfachfunkenstrecke. Dabei wird
der Spannungsabfall an den Anoden und Kathoden der Teilfunkenstrecken
der Mehrfachfunkenstrecke zur Lichtbogenlöschung und dadurch zur Unterbindung
des Netzfolgestromes ausgenutzt. Die Löschwirkung kann in üblicher
Weise dadurch erhöht werden,
daß die
Funkenstrecke in einem druckdicht abgeschlossenen Gehäuse eingebaut
ist. Die Löschwirkung
kann auch durch Beblasung des Lichtbogens mit Kaltgas erhöht werden.
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Bei der Funkenstrecke gemäß der Erfindung wird
bei einem Blitzeinschlag zunächst
durch die Überspannung
zwischen PE (Erde) und den spannungsführenden Leitern gezündet, wenn
die Ansprechspannung der Mehrfachfunkenstrecke erreicht ist.
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Erfindungsgemäß erfolgt eine Aufteilung des Lichtbogens
in Mehrfachlichtbögen.
Hierbei wird durch die vorgeschlagene Mehrfachfunkenstrecke der
Effekt genutzt, den Lichtbogen auf mehrere Teilfunkenstrecken aufzuteilen,
so daß sich
der Anoden- und Kathodenfall (Spannungsabfall insbesondere an den
Lichtbogenfußpunkten
an der Anode und Kathode) der einzelnen Funkenstrecken addiert.
Der gesamte Spannungsabfall an der Mehrfachfunkenstrecke kann demnach
durch folgende Beziehungen beschrieben werden U = n × UAK. Dabei bedeutet n die Anzahl der Funkenstrecken
der Mehrfachfunkenstrecke und UAK den Anoden-
bzw. Kathodenfall einer Teilfunkenstrecke der Mehrfachfunkenstrecke.
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Um eine relativ niedrige Ansprechspannung von
beispielsweise maximal 4 kV nicht zu überschreiten, ist die erste
Funkenstrecke so ausgebildet und deren Anode und Kathode derart
beabstandet, daß eine
entsprechende Ansprechspannung erreicht wird.
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Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Mehrfachfunkenstrecke
teilt sich die Spannung auf alle Teilfunkenstrecken auf. Durch die
erfindungsgemäße Widerstandsbeschaltung
der Mehrfachfunkenstrecke wird erreicht, daß an der obersten (eingangs) Teilfunkenstrecke
das Potential der Erde anliegt. Sobald diese erste Teilfunkenstrecke
gezündet
hat, fließt
ein Strom über
die Widerstände,
die abgestuft abnehmen, beispielsweise dekadisch oder vorzugsweise
logarithmisch. Dadurch wird erreicht, daß nach dem Zünden der
ersten Teilfunkenstrecke nahezu die gesamte Spannung an der zweiten
Teilfunkenstrecke liegt und diese unmittelbar zündet. Dabei wird vorteilhaft
die ultraviolette Strahlung des Funkenkanals in der ersten Teilfunkenstrecke
zur Bereitstellung der Anfangselektronen in der jeweils folgenden
Teilfunkenstrecke genutzt. Dieser Effekt setzt sich bis zur letzten
Teilfunkenstrecke fort.
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Nach dem Zünden fließt ein Kurzschlußstrom und
an jeder Funkenstrecke (Anoden- Kathodenfall) baut sich ein hoher
Spannungsabfall auf, der sich durch die Vielzahl der Funkenstrecke
aufsummiert, so daß entsprechend
der Anzahl der Funkenstrecken die Lichtbogenbrennspannung größer als die
Netzspannung ist, so daß kein
Netzfolgestrom entsteht.
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Die Ausbildung der ersten Funkenstrecke
ist maßgebend
für das
Ansprechverhalten. An der Kette der Funkenstrecken wird die Spannung
der einzelnen Teillichtbögen
in der Summe so hoch aufaddiert, daß sie höher als die Netzspannung ist,
so daß tatsächlich kein
Netzfolgestrom entsteht.
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Die Mehrfunkenstrecke kann auch mit
einer Gleitentladungsanordnung zur Herabsetzung der Zündverzugszeit
der Teilfunkenstrecken in Kombination mit der entsprechenden Widerstandsbeschaltung
ausgerüstet
sein. Die Gleitentladungsanordnung besteht aus einer längs zu den
Funkenstrecken angeordneten Schicht aus einem Isolierstoff, in den eine
metallische Folie oder dergleichen eingelassen ist, die auf Erdpotential
liegt. Durch das Einbringen der geerdeten Folie nahe der Elektroden
der Teilfunkenstrecken wird das elektrische Feld in den Teilfunkenstrecken
verzerrt, und es kommt zur Ausbildung von Gleitentladungen auf der
Oberfläche
des Isolierstoffes zwischen den Elektroden und der Teilfunkenstrecken.
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Es ist bekannt, daß die Elektroden
von Funkenstrecken aus Metallen wie Kupfer, Wolfram-Kupfer oder ähnlichen
Metallen, nach einer Beanspruchung mit hohen Blitzströmen an der
Oberfläche
Anzeigen von Ausschmelzungen zeigen und daß sich metallischer Dampf auf
der Oberfläche
benachbarter Isolieranordnungen niederschlägt. Durch diese Effekte verringert
sich die Lebensdauer einer solchen Funkenstrecke. Zur Vermeidung
der Nachteile der metallischen Elektroden wird erfindungsgemäß eine Elektrode
aus Graphit vorgeschlagen. Die Teilfunkenstrecken der Mehrfachfunkenstrecke
werden daher vorzugsweise aus Graphit hergestellt. Wegen des geringen
Metallabbrandes bei der Beanspruchung mit Blitzströmen bis
zu 200 kA eignet sich Graphit besonders gut für diese Anwendung. Auch nach mehrfacher
Beanspruchung mit Blitzstoßströmen bleibt
die Oberfläche
der Elektroden der Mehrfachfunkenstrecke sauber und behält ihre
Form. Dadurch ist gewährleistet,
daß die
Ansprechspannung der Funkenstrecke innerhalb der zulässigen Streuung bleibt.
Vorzugsweise ist die Funkenstrecke aus zylindrischen oder würfelförmigen Elektroden
aufgebaut, die durch eine Isolierfolie oder Isolierscheibe aus wärmebeständigem Material,
insbesondere PTFE oder auch Keramik, voneinander isoliert sind.
Durch die Ausbildung von scharfkantigen Elektroden wird zur Bereitstellung
von Startelektronen durch Ablösung
der an Moleküle
angelagerten Elektronen verbessert. Hierdurch kann durch die Ansprechspannung
sowie deren statistische Streuung nennenswert vermindert werden.
Durch entsprechende Ausführungen
der Parallelplattenfunkenstrecke, zum Beispiel mit großenflächigen Elektroden,
wird ein großes felderfülltes Volumen
geschaffen, aus dem bei Spannungsbeanspruchung die Anfangselektroden
bereitgestellt werden. Durch das vergrößerte felderfüllte Volumen
wird die Ansprechspannung und deren Streuung nennenswert vermindert.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung prinzipiell gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
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Es zeigt:
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1 die
Prinzipdarstellung der Widerstandsbeschaltung einer Mehrfachfunkenstrecke;
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2 den
geometrischen Aufbau einer Mehrfachfunkenfunkenstrecke mit einer
Gleitentladung;
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3 eine
Blitzstromfunkenstrecke mit achtstufiger Mehrfachfunkenstrecke mit
ohmscher Steuerung.
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In 1 ist
eine Funkenstrecke gezeigt, die bei I an einem Leiter des Stromversorgungsnetzes und
bei II an eine Erde angeschlossen ist. Es sind dabei eine Vielzahl
von Funkenstrecken in Reihe zueinander angeordnet (FS1 bis FSN).
Dabei sind die Teilfunkenstrecken FS2 bis FSN mit Ausnahme der im Blitzstromereignisfall
ersten ansprechenden Funkenstrecke FS1 durch ein abgestuftes Netz
von ohmschen Widerständen
beschaltet, so daß die
Teilfunkenstrecken FS2 bis FSN sukzessive durchschalten. Das Netz
von Widerständen
weist in Durchschaltrichtung abnehmende Widerstandswerte auf. So
kann beispielsweise der Widerstand R2 10 Kiloohm, der Widerstand
R3 1 Kiloohm, der Widerstand R4 100 Ohm, der Widerstand R5 10 Ohm
und der Widerstand Rn X Ohm aufweisen. Die Widerstände können vorzugsweise
logarithmisch abnehmen. Zu der Kathode und Anode jeder Teilfunkenstrecke
FS2 bis FSn ist ein Widerstand R2 bis Rn parallel geschaltet und
die Widerstände
aller Teilfunkenstrecken R2 bis Rn sind in Reihe an Erde (II) geschaltet.
Wie insbesondere aus 3 ersichtlich,
sind Funkenstreckenelektroden 2 aus Graphit vorgesehen,
die durch Isolierstoffscheiben aus PTFE voneinander beabstandet sind.
Bei 4 ist ein Anschluß eines
Steuerwiderstandes gezeigt. Mit 5 ist ein Gehäuse gezeigt,
welches die Gesamteinheit umgibt. Bei 6 ist der Stromanschluß gezeigt.
Bei 8 ist eine Stromschiene zur Verbindung der beiden Funkenstreckenblöcke, die parallel
zueinander in dem Gehäuse 5 angeordnet sind,
gezeigt. Auch die Steuerwiderstände 10 sind
in einem geschützten
Raum innerhalb des Isolierstoffgehäuses angeordnet. Mit 11 ist
eine weitere Isolierstoffplatte gezeigt. Mit 1 sind Kontaktfedern
gezeigt, mittels derer die kontaktierende Verbindung zu den Funkenstrecken
erfolgt. Die Elektroden 2 der Funkenstrecken bestehen vorzugsweise
zylindrischen oder quaderförmigen,
scharfkantigen Elementen. Bei der Ausführungsform gemäß 3 besteht die gesamte Funkenstrecke
aus zwei parallel zueinander angeordneten Blöcken gleicher Anzahl von Teilfunkenstrecken.
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Bei der Ausführungsform nach 2 ist die Mehrfachfunkenstrecke
mit einer Gleitentladungszündhilfe
gekoppelt. Die Gleitentladungszündhilfe besteht
aus einer längs
parallel zu den Funkenstrecken FS1 bis FSN angeordneten Schicht 12 aus
Isolierstoff, beispielsweise PTFE, in die ein metallischer Leiter 13,
insbesondere eine metallische Folie, eingebettet ist. Diese Folie
ist bei 14 an Erdpotential gelegt. Bei 15 ist
eine Gleitentladung gezeigt, die als erste Vorentladung zündet, bevor
dann die Hauptentladung 16 als Folge der ersten Gleitentladung
zündet.
Infolge zündet
dann die zweite Gleitentladung als zweite Vorentladung (17)
woraufhin die nächste Hauptentladung 18 als
Folge der zweiten Gleitentladung zündet. Der Vorgang setzt sich
analog fort. Die Funkenstrecken FS2 bis FSN sind mit Steuerwiderständen R2
bis Rn beschaltet.
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Der Abstand der jeweils ersten Funkenstrecke
FS1 ist maßgebend
für das
Ansprechverhalten der Gesamtfunkenstrecke. An der Kette von Funkenstrecke
FS1 bis FSN wird eine so hohe Lichtbogenbrennspannung erzeugt, daß diese
größer als
die Netzspannung ist, so daß kein
Netzfolgestrom entsteht.
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Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel
beschränkt,
sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.
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Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung
offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich
angesehen.