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Überspannungsschutzvorrichtung mit Spaltelektroden. Es ist bekannt,
daß das Wesen einer elektrischen Entladung durch einen Luftspalt mc"ischen zwei
Elektroden sich danach richtet, ob der Strom über den Spalt hinweg eine kleinere
oder eine größere Stromstärke aufzuweisen hat. Bei der Aufrechterhaltung eines starken
Stromes zwischen zwei Elektroden über einen Luftspalt ist die .dazu erforderliche
Spannung niedrig, und eine Zunahme des Stromes hat das Bestreben, die Entladespannung
noch weiter herabzusetzen. Die Hauptründe für dieses Phänomen sind folgende:' Der
Strom auf der Oberfläche der Entladefläche der Elektroden erzeugt so viel Wärme,
daß er diese in einem glühenden Zustand erhält und dadurch die Elektroden dauernd
Ionen nachliefern, die nötig sind, um den Luftspalt zwischen den Elektroden zu überbrücken.
Ein Anwachsen des Stromes erhöht die Ionisation des Luftraumes zwischen den Elektroden,
und es reicht eine geringere Spannung aus, um größere Ströme durch den Luftspalt
hindurchzuschicken. Wenn der Strom jedoch nicht so groß ist, um die Erhitzung der
Oberfläche der Entladeklemme der Elektrode zu bewirken, so findet keine genügende
Lieferung von Ionen statt, um die Entladung zwischen den Elektroden bei den niedrigen
Spannungen eines gewöhnlichen Lichtbogens aufrechtzuerhalten. Die Entladung zwischen
den Elektroden nimmt in diesem Falle die Form einer Glimmentladung an.
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Die Erfindung besteht nun darin, auch bei großen Strömen das Entstehen
eines Lichtbogens zwischen Spaltelektroden zu verhindern. Dies wird dadurch erreicht,
daß die Elektroden für überspannungsschutzvorrichtungen so gebaut sind; daß sie
eine Verteilung des starken Stromes über die Oberfläche der Elektroden bewirken.
Dies wird dadurch erzielt, daß mindestens :eine Elektrode aus einem Material hergestellt
ist, das eine Anzahl paralleler, voneinander isoliert geführter leitender Wege besitzt,
die in Richtung des Entladeweges liegen. Der Strom, der über den Luftspalt hinweggeht,
wird in eine große Anzahl von kleinen Teilströmen unterteilt, die über die mit verhältnismäßig
hohem Widerstand ausgestatteten Einzelwege fließen. Dazu ist eine relativ hohe Spannung
der Elektroden zur Aufrechterhaltung dieses Entladeweges erforderlich. Durch die
richtige Bemessung des Luftspaltes zwischen den Elektroden wird der Durchgang wesentlicher
Strommengen bei Netzspannung verhindert, während ein Entladeweg von verhältnismäßig
niedrigem Widerstand für hohe Spannungen geboten wird, die wesentlich über der Netzspannung
liegen.
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Ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen
dargestellt. Die Abb. i und z stellen Längsschnitte durch eine Blitzschutzvorrichtung
dar. Abb.3 zeigt besonders ausgebildete Elektrodenelemente. Abb. 4 zeigt eine Ansicht
von oben der besonders ausgebildeten Elektroden gemäß der Erfindung.
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In Abb. i sind in an sich bekannter Weise in einem Isoliergehäuse
i eine Anzahl von Elektroden z gemäß der Erfindung hintereinandergeschaltet und
parallel übereinandergeschichtet. Die Elektroden werden durch Isolierplatten,
z.
B. Glimmerplatten 16, voneinander in Abstand gehalten, so daß sehr kleine Luftspalte
3 zwischen den einzelnen Elektroden entstehen, die zum Zwecke der deutlicherer)
Darstellung in den Abbildungen übertrieben groß gezeichnet sind. Der Stapel von
Elektroden wird zwischen -zwei Metallplatten q und 5 gehalten. Die obere Metallplatte
5 bildet, wie bekannt, die Elektrode eines Hauptspaltes 6, dessen andere Elektrode
7 mit der Zuleitung 8 leitend verbunden ist. Die .untere Metallplatte q. ist mit
einer anderen Zuleitung der Erdleitung 9 versehen, die durch eine üffnung 1o des
Isoliergehäuses geführt wird. Die beiden Elektroden 5 und 7 des Hauptspal tes 6
werden durch einen Isolierring 12 voneinander in Abstand gehalten. Wie ebenfalls
bekannt, werden der Hauptspalt 6 und der Stapel von Elektroden mittels einer Druckfeder
13, die sich gegen eine Kappe r ¢ legt, zusammengehalten. Die Kappe 14 ist an der
Oberseite des Isoliergehäuses 1 mittels eines Bindemittels 15 angebracht. Die in
Form von Platten dargestellten Elektroden 2 sind nach einem unten beschriebenen
Verfahren so ausgebildet, daß sie nur eine Entladung gestatten, die durch die in
Richtung des Entladeweges liegenden leitenden Wege in den Elektroden erfolgt, in
einer anderen Richtung jedoch .als Isolierkörper wirken. Die Platten selbst sind
an ihren Kanten 17 abgeschrägt. Der gesamte Stapel der Elektroden kann nach dem
Aufbau durch eine isolierende Verbindungsmasse 18, z. B. Gips oder eine Mischung
von Wasserglas und einem neutralen Material, zusammengehalten werden. Die abgeschrägten
Kanten der Elektroden verhindern, daß Entladungen oder Überschläge zwischen den
Elektroden über die isolierenden Abstandsplatten erfolgen und schließlich die Elektroden
überbrücken und kurzschließen. Die Endplatten des Elektrodenstapels, die mit den
Metallplatten q. oder 5 in Berührung kommen, sind weiterhin so ausgebildet, d,aß
die Berührungsflächen jeder Endplatte mit einer Lage 1g von leitendem Material,
wie z. B. Graphit, überzogen sind oder eine Metallage nach bekanntere Verfahren
auf, diese Berührungsflächen aufgespritzt ist. Dadurch wird verhindert, daß die
Endplatten nach Durchgang einer größeren Anzahl von Entladungen zertrümmert werden,
wie @es z. B. nach praktischen Erfahrungen. der Fall wäre, wenn die Endelektroden
in unmittelbare Berührung mit den Metallplatten gebracht wären. Die metallische
Zwischenlage 1g wird in dieser Weise fest mit der Elektrodenplatte verbunden und
kommt dadurch in innig-- Berührung mit den einzelnen leitenden Wegen der Elektroden.
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In Abb. 2 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Die Elektroden 21 sind der Erfindung gemäß ausgebildet und wie in Abb.1 stapelförmig
übereinandergeschicbtet. Der Unterschied gegenüber Abb. 1 besteht darin, daß sich
in dem Luftspalt 3 noch eine Metallplatte 22 befindet, die durch Isolierplatten
24 nach beiden Seiten hin gegen die Elektroden 21 abgestützt ist, so daß je zwei
Elektroden durch die Metallplatte 22 und zwei Luftspalte 23 voneinander getrennt
sind. Der Durchmesser der Elektroden 21 ist größer als der Durchmesser der Metallplatten
22. Diese Bauart vermindert die Möglichkeit von Oberschlägen zwischen den einzelnen,
in den Luftspalfen angeordneten Metallplatten, da durch die verschiedenen Durchmesser
von Metallplatten und Elektroden - ein großer Kriech- oder Überschlagsweg geschaffen
wird.
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In Abb. 3 ist eine Elektrode 28 in ein für sich geschlossenes Element
26 eingekapselt. Die Elektrode 28 wird von einem Isolierkörper 27 umgeben und ist
nach oben hin durch einen Luftspalt von einem Metalldeckel 32, nach unten hin durch
eile Metallschicht 29 von ei:riein anderen Metalldeckel 3o getrennt. Der obere,
32, und untere, 3o, Metalldeckel sind mit ihren Kanten 31 um den Isolierkörper 27
herumgebogen. Derartig zusammengebaute geschlossene Elemente können mit Vorteil
zu einem Stapel von solchen Elementen miteinander vereinigt werden, ähnlich den
Abb..1 und 2.
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In Abb. q. ist schematisch eine Elektrodenplatte dargestellt. Diese
besteht aus einer großen Anzahl von stift- oder fadenähnlichen Widerstandselemnenten,
die parallel nebeneinarider angeordnet und durch ein isolierendes Binuemittel voneinander
getrennt sind. Es entsteht dadurch die bleistiftähnliche Struktur der Widerstandsplatten
gemäß der Erfindung. Um -nun solche Widerstandselektroden gemäß der Erfindung herzustellen,
kann folgendes Verfahren angewandt werden. Man ordnet Faden eines Materials von
gewünschtem Widerstand nebeneinander an und vereinigt diese in einer homogenen Masse.
Der so erhaltene Körper wird dann quer zur Richtung der Fäden durchschnitten, um
Widerstandselektroden von der gewünschten Dicke zu erhalten. Die homogene Masse
kann die Fäden vermittels irgendwelchen Bindematerials vereinigen, wie z_ B. Wasserglas,
Kaolinstaub, wobei das Bindematerial die . einzelnen Fäden voneinander isoliert.
-Ein weiteres Verfahren zur Herstellung solcher Widerstandselektroden aus fadenähnlichen
Gebilden besteht darin, daß ein Faden aus .einer Substanz, wie z. B. Cellulose,
Seide o. dgl., verwandt wird und dieser in nebeneinanderliegenden
Windungen
auf eine Spule oder einen Rahmen gewickelt sind. Der Faden kann, ehe er aufgewickelt
wird, durch ein feuerfestes Bindemittel, z. B. Ton, durchgezogen werden oder die
aufgewickelten Fäden mit einem Bindematerial getränkt werden. Der derartig hergestellte
Fadenkörper kann dann. in Platten oder Elemente von der gewünschten Weise geschnitten
werden. Die Platten werden nun in einem Ofen erhitzt, bis die Fäden- verkohlt sind
und der Ton hart geworden ist. Das Härte- oder Verkohlungsverfahre:n kann vor oder
nach Zerschneiden des Fadenkörpers stattfinden.
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Die durch das Verfahren entstandene Widerstandselektrode besteht aus
feinen parallelen Leitern, die durch den isolierenden Ton voneinander isoliert sind.
Wenn es erwünscht ist, kann der Faden noch mit einer Substanz, wie z. B. chinesischer
Tinte oder einer kolloidalen Lösung von Graphit getränkt werden, die dem Faden nach
der Verkohlung eine höhere Leitfähigkeit gibt. Durch diese Widerstandsplattcn wird
eine Elektrode geschaffen, die eine dem Entladeweg gleichgerichtete Leitfähigkeit
besitzt. Der Strom kann nur in Richtung des Entladeweges fließen, indem er durch
die leitenden Wege strömt. Senkrecht zu dem Entladeweg bildet die Widerstandselektrode
einen Isolator.
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Es kennen auch noch zusätzliche Verfeinerungen solcher Schutzvorrichtungen
vorgenommen werden, beispielsweise durch die an sich bekannte Hintereinanderschaltung
von mehreren Spaltelektroden. Bei einem solchen Aufbau der Widerstandselektroden
wird keine Entladung in der Schutzvorrichtung stattfinden, wenn in der Leitung die
normale Betriebsspannung vorhanden ist. Eine Zunahme der Leitungsspannung wird jedoch
eine freie Entladung in der Schutzvorrichtung über die große Zahl von parallelen
Luftwegen hervorrufen, bis die Leitungsspannung auf ihre normale Höhe heruntergeht
und dadurch die Entladung aufhört. Praktisch wird die Spannung, bei der sich die
Schutzvorrichtung frei entlädt, so gewählt, daß sie der eineinhalb- bis zweifachen
Leitungsspannung entspricht. Es wird auch, wie in den Abb. i und 2 dargestellt,
ein Haupt- oder Isolierspalt mit dem Stapel von Elektroden hin.tereinandergeschal:-tet,
um den Durchgang von kleinen Streuströmen durch die Schutzvorrichtung zu verhindern,
weil diese eine unnötige Erwärmung der Schutzvorrichtung bei normalen Betriebsverhältnissen
verursachen würden. Durch.- die Anordnung nach der Erfindung wird der Vorteil erreicht,
daß eine Schutzvorrichtung geschaffen wird, die bei geringmöglichster Störung des
zu schützenden Stromkreises eine verhältnismäßig große Entladefähigkeit für große
Stromstöße und überspan.nungen besitzt und eine sehr niedrige für Spannungen in
Nähe der Betriebsspannung.