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Überspannungsschutzvorrichtung mit Funkenstrecke und verringertem
Entladeverzug. Es ist bekannt, daß die Wirkung der mit Funkenstrecke ausgerüsteten
überspannungsschutzvorrichtungen durch den Entladeverzug erhebTh beeinträchtigt
ist. Es ist auch bekannt, diesen Ent'_.adeverzug dadurch zu beseitigen oder wenigstens
erheblich zu verringern, daß man in die Nähe der Funkenstrecke an eine oder beide
Elektroden Körper hoher Dielektrizitätskonstante bringt, welche' auch unter Umständen
beide Elektroden mechani-ch verbinden können. Diese Körper hoher Dielektrizitätwkonstante
verzerren das elektrische Feld und bewirken an vereinzelten Stellen eine starke
Zusammendrängung der Feldlinien, also eine erhöhte Beanspruchung der Luft. Bei passender
Bemessung und Anordnung läßt sieh dabei erreichen, daß schon bei der normalen Betriebsspannung
eine Ionisierung- der Luft eintritt, welche das Feld für die Erregung durch die
Überspannung vorbereitet und auf diese Weise den Entladeverzug beseitigt.
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Alle diese bekannten Vorrichtungen, welche auf der Anbringung eines
Isolierkörpers hoher Dielektrizitätskonstante an oder in der Funkenstrecke beruhen,
haben den Nachteil, daß das Isoliermaterial der Wirkung des Lichtbogens ausgesetzt
wird, welcher es nicht standhalten kann. Wenn also bei Eintritt einer Überspannung
die Funkenstrecke überschlägt, so wird das Isoliermaterial vom Lichtbogen angegriffen
oder zerstört.
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Nach der Erfindung wird dieser Übelstand dadurch beseitigt, daß- mit
der Funkenstrecke der geschilderten Art, welche also- einen oder mehrere Isolierkörper
hoher Dielektrizitätskonstante zur Vorionisierung des Feldes enthält, eine an sich
ebenfalls bekannte Funkenentziehvorrichtung für den Lichtbogen verbunden wird.
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Derartige Funkenentziehvorrichtungen bewirken bekanntlich, daß durch
den beim überschlag einsetzenden Erdstrom bzw. eine Abzweigung desselben ein Schalter
betätigt wird, welcher den -Lichtbogen schnell und an anderer Stele zum Verlöschen
bringt, etwa indem der Schalter die Funkenstrecke für kurze Zeit kurzschließt,.
so daß der Lichtbogen dort erlischt, oder iidem der Schalter in Serie mit der Funkenstrecke
liegt und den Erdkreis unterbricht, oder indem der Schalter im normalen Zustand
einen großen Vorschaltwiderstand kurzgeschlossen hält und beim Ansprechen vorschaltet,
so daß der Erdstrom auf ein so geringes Maß herabgesetzt wird, daß der Lichtbogen
von selbst und hinreichend schnell erlischt.
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Es gibt noch andere Funkenentziehvorrichtungen dieser Art, auch z.
B. mit Umschaltung mehrerer abwechselnd arbeitender Funkenstrecken. Die Ausgestaltung
dieses Funkenentziehschalters bildet - nicht den Gegenstand dieser Erfindung, wohl
aber seine Verbindung mit der Funkenstrecke mit Isolierkörper.
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Der Isolierkörper -soll die Vorionisierung dadurch bewirken, daß an
ihm Gleitoritladungen auftreten,- welche den Überschlag erleichtern.
Deshalb
wird zweckmäßig der Isolator in ebenfalls an sich bekannter Weise bei der neuen
Überspannungsvorrichtung plattenförmig ausgebildet und so angeordnet, daß er von
einer Elektrode in der Richtung zur anderen weist.
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Abb. i zeigt eine einfache Form der Erfindung in schematischer Darstellung.
Die Elektroden i, 2 sind mit scharfen Kanten ausgerüstet und berühren mit diesen
die Isolierplatte 3, welche beispielsweise aus Glas bestehen kann. Die Elektrode
i ist mit der hochspannungsführenden Leitung verbunden, die Elektrode 2 über den
Funkenentziehschalter q. mit Erde 5. Der Funkenentziehschalter ist hier als Kurzschließer
gedacht; er enthält den Erdwiderstand 6. An einem Teil desselben ist die Spule 7
für die Betätigung des Schaltkontaktes 8 abgezweigt., Tritt ein überschlag zwischen
i und 2 auf, so wird ein merklicher Strom durch den Widerstand zur Erde -Hießen,
ein Teil dieses Stromes durch die Spule 7, welche den Schaltkontakt 8 schließt und
dadurch einen Kurzschluß über die Elektroden i, 2 legt, so daß der Lichtbogen dort
erlischt. Dadurch wird aber auch die Spule 7 stromlos, und der Kontakt 8 öffnet
sich, wobei nun der Erdstrom unterbrochen wird.
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Der Funkenentziehschalter wird zweckmäßig in bekannter Weise als Ölschalter
ausgebildet, kann aber auch als Luftschalter ausgeführt werden.
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In dem Beispiel der Abb. i ist der Isolierkörper als Platte 3 ausgeführt,
welcher. beide Elektroden gleichzeitig berührt. Damit ist die Gefahr verbunden,
daß durch Feuchtigkeit, Staub oder Schmutz eine Veränderung des Überschlagswertes
eintreten könnte. Es wird sich also empfehlen,- den Isolierkörper nur an einer Elektrode
anzubringen, von der zweiten aber körperlich zu trennen oder beide Elektroden mit
getrennten Isolierkörpern auszurüsten, welche durch eine Luftstrecke getrennt sind.
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Eine Ausführungsform dieser Anordnung, welche gleichzeitig die Verwendung
von Entlastungselektroden zur Aufnahme des Lichtbogens und weiteren Schonung des
Isolierkörpers und eine andere Gattung des Funkenentziehers zeigt, ist in Abb.2
dargestellt. Es bezeichnen wieder i und 2 die mit der Hochspannung bzw. mit der
Erde verbundenen Elektroden. An jeder ist ein plattenförmiger Isolierkörper 3 bzw.
q. befestigt, welcher in der Richtung von der Elektrode zum anderen Isolierkörper
weist. An den Elektroden i und 2, an deren scharfen Kanten unten sich der Lichtbogen
bildet,: sind nun vorgeschobene Entlastungselektroden 5, 6 angebracht, welche beispielsweise
als -kugelförmige Blechkörper dargestellt sind, aber auch die bekannte Hörnerform
besitzen können. Diese Entlastungselektroden treten näher zusammen als die Hauptelektroden.
Sie ziehen daher den Lichtbogen auf sich und können deshalb einen Schutz der Isolierkörper
schon vor dem Ansprechen des Funkenentziehers bilden. Letzterer besteht aus dem
Widerstand 7 und dem Schaltkontakt 8 sowie der Ausschaltespule 9. Bei Eintritt eines
Erdstromes wird letztere erregt, öffnet den Schaltkontakt 8 und damit den Erdstromkreis,
so daß der Lichtbogen an der Funkenstreckeerlischt. Damit verschwindet aber auch
die Erregung der Ausschaltespule 9, der Schalter fällt in den Ruhezustand zurück,
und das Spiel kann von neuem beginnen.
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Bei einer Anordnung dieser Art ist der Erdstromkreis während der kurzen
Zeit der Öffnung des Funkenentziehers unterbrochen und dadurch der überspannungsschutz
außer Betrieb gesetzt. Es empfiehlt sich deshalb, mit dieser Anordnung in an sich
bekannter Weise eine weitere Schutzvorrichtung gegen Erde zu verbinden, welche auch
in der kurzen Zeitspanne der Öffnung des Kontaktes 8 noch einen Schutz bewirkt.
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Eine derartige Anordnung, welche gleichzeitig wieder eine andere Form
des Funkenentziehers, aber auch eine neue Anordnung zur Entlastung der Isoliermaterialien
zeigt, ist in Abb.3 dargestellt. i und 2 sind wieder die Hauptelektroden, 3 und
q. die an ihnen angebrachten plattenförmigen Isolierkörper, 5 und 6 die Entlastungselektroden.
Von diesen ist aber die Elektrode 6 von der Hauptelektrode 2 durch einen Isolierkörper
hoher Dielektrizitätskonstante 7 getrennt, welcher eine verhältnismäßig geringe
Dicke hat, so daß der überschlagsweg zwischen 2 und 6 kurz ist. Die nicht polführende
Elektrode --
ist über einen Widerstand 8 geerdet, welcher so bemessen sein
soll, daß nur ein verhältnismäßig geringer Strom über die Funkenstrecke gehen kann,
welcher in der Zeit eines Bruchteiles der Sekunde, nämlich so lange als der Funkenentzieher
zu seinem Spiel braucht, die Isolationsstücke 3, q., 7 nicht beschädigen kann: Ein
großer Teil der Spannung wird also in dem Widerstand 8 vernichtet, so daß die Elektrode
2 eine recht erhebliche Potentialdifferenz gegen die Erde 9 erhält, während die
Entlastungselektrode 6 über den Widerstand i o des Funkenentziehers, welcher stromlos
ist, das Erdpotential behält. Es entsteht also - sofort beim Überschlag eine hohe
Spannungsdifferenz zwischen der Hauptelektrode 2 und der Entlastungselektrode 6.
Dadurch wird die kurze überschlagsstrecke mit Isoliermaterial 7 überschlagen und
der Lichtbogen von den' Hauptelektroden i und 2
mit größerer Sicherheit
nach den Entlastungselektroden 5, 6 herübergezogen. Nun geht ein Erdstrom durch
den Widerstand i o, ein Teil desselben durch die Spule i i. Diese öffnet den Funkenentziebkontakt
12 und hebt damit den Kur'zschluß des unteren Widerstandsteiles 13 auf; so daß nunmehr
in den Weg vom Anschluß i über 5, 6, ro, 13 nach Erde 9 ein so großer Widerstand
gelegt ist, daß der Lichtbogen von selbst erlischt. Damit wird aber die Erregung
der Spule i i aufgehoben, der Schaltkontakt 12 schließt sich, und der Anfangszustand
ist wieder hergestellt. Während der Zeit, in der der Schaltkontakt 12 geöffnet ist,
lieb aber noch die Funkenstrecke der Hauptelektroden i, 2 mit ihrem Vorschaltwiderstand
8 parallel zu der Entlastungsfunkenstrecke mit ihren Widerständen to, 13. Es ist
also während des Arbeitens des Funkenentziehers für eine Möglichkeit gesorgt, Aufladungen
abzuleiten.
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Bei den bisher gezeigten Beispielen sind die Isolierplatten, welche
die Feldverzerrung zum Zwecke der Aufhebung des Entladeverzuges herstellen sollen,
nur auf einer Seite mit Metall, nämlich mit den Elektroden in Verbindung gebracht.
Es ist bekannt, daß eine Armierung der Isoliermaterialien auf der Rückseite die
Vorentladungen verstärkt und die Wirkung verbessert. Eine Anwendung dieses bekannten
Mittels bei der Erfindung ist in Abb.4 gezeigt. i und 2 sind die Hauptelektroden,
3 und 4 die Isolierplatten, 5 der Funkenentzieher, der wieder als Kurzschließer
ausgebildet ist. An den Isolierplatten 3 und ¢ sind nun die Metallbelege 6 und 7
angebracht, welche mit keiner der Elektroden leitend verbunden sind, welche aber
in kondensatorartiger Weise eine Aufladung der nicht mit Metall belegten oberen
Flächen der Isolierplatten 3 und 4 bewirken, also die Vorentladungen verstärken.
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Eine weitere Verbesserung wird dadurch erzielt, daß die auf der anderen
Seite der Isolierplatten angebrachten Belege in ebenfalls an sich bekannter Weise
mit einem abweichenden Potential in Verbindung gebracht werden. Eine derartige Anordnung
ist in Abb. 5 dargestellt. Die Elektroden i und 2 liegen hier an einer gemeinsamen
Platte 3, deren Enden rinnenförmig umgebogen sind. Auf der Innenseite dieser Rinne,
die vorn und hinten offen zu denken ist, befindet sich eine Metallplatte 4, welche
an einem hohen Widerstand 5 an Erde 6 liegt. Dieser Widerstand muß so groß sein,
daß beim Cberschlag von der polführenden Elektrode i nach der geerdeten Elektrode
4, der ja eigentlich nicht erfolgen soll, sondern nur unbeabsichtigt als Betriebsfehler
eintreten könnte, der Lichtbogen bei der Betriebsspannung und der in der Anlage
wirkenden Energiemenge nicht mehr stehenbleiben kann. Der Widerstand 5 ist also
nicht ein eigentlicher Erdwiderstand, wie er bei Funkenstrecken verwendet wird,
sondern ein Schutzwiderstand zur Unschädlichmachüng eines unerwünschten Randüberschlages
über den Isolierkörper 3. Durch seinen Einbau ist aber dieser Randüberschlag unschädlich
gemacht im Gegensatz zu bekannten Überspannungsschutzvorrichtungen, bei denen der
Isolierkörper nicht nur durch-, sondern auch überschlagsicher sein muß. Das ist
hier nicht notwendig. Da normal so gut wie gar kein Strom zwischen der inneren Belegung
4 und der Erde 6 fließt, so hat erstere fast genau das Erdpotential. Sie wird also
eine kräftig anregende Wirkung auf die Vorentladungen von der Elektrode i auf der
oberen Seite des Glaskörpers 3 auslösen und dadurch die Ionisationswirkung verstärken.
Die Elektrode z ist wieder über den mehrfach beschriebenen Widerstand. und Funkenentzieher
7 mit Erde 6 verbunden.
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Bei dieser Anordnung ist also die innere Elektrode 4 nur Erregerelektrode
zur Auslösung des Überschlages, während beispielsweise beim Glimmschutz die innere
Elektrode gegen die äußere überschlagsicher isoliert sein muß und dort ein Überschlag
zur Beschädigung führt.
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Während in dem Beispiel Abb. 5 eine gemeinsame Platte oder ein rinnenförmiger
Isolierkörper für beide Hauptelektroden Verwenwendung findet, ist in Abb. 6 eine
Anordnung dargestellt, welche getrennte Isolierkörper und Entlastungselektroden
sowie noch eine wesentlich verstärkte Wirkung besitzt. i und 2 sind die Hauptelektroden,
an denen rinnen.-förmige oder glockenförmige Glaskörper 3 und 4 angebracht sind.
An den Hauptelektroden i und 2 sind die Entlastungselektroden 5, 6@angebracht, letztere
gegen die Elektrode --
in der durch Abb.3 bereits erläuterten Weise durch
eine Isolierplatte 7 getrennt. Von der Entlastungselektrode 6 führt ein Weg über
den mit Widerstand versehenen Funkenentzieher 8 zur Erde. Nun ist in jedem der beiden
Isolierkörper 3, 4 in an sich bekannter Weise ein weiterer Beleg angebracht, welcher
mit der dem äußeren Beleg fremden Elektrode verbunden ist, also der innere Beleg
9 im Isolierkörper 3 mit der Elektrode 2, der innere. Beleg io in dem Glaskörper
4 mit der Elektrode i. Dadurch ist gleichzeitig eine verstärkte Vorentladungswirkung
und eine Kapazitätswirkung erreicht,. welche zur Abschleifung von Wellen mit herangezogen
werden kann. Auch hier müssen wieder überschlage um die Isolierkörper 3, 4 durch
Widerstände unschädlich gemacht werden.
Für die zu erdende Elektrode
z' und den inneren Beleg 9 in der Glocke 3 dient der hohe Schutzwiderstand i i,
während für die Hauptelektrode i und die innere Elektrode io der* Glocke
q. -der Widerstand 8, der mit dem. Funkenentzieher verbunden ist, Anwendung findet.
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Bei -der bisher geschilderten Anordnung waren an den Isolierkörpern
Elektroden befestigt, welche im normalen Betrieb hohe Spannungsdifferenzen führen,
also z. B. eine polführende und eine geerdete Elektrode. Bei derii Beispiel der
Abb.5 war noch auf der anderen Seite des Isolierkörpers eine geerdete Hilfselektrode
zur Verstärkung* der Ionisierung vorhanden. Man kann nun die Anordnung auch so treffen,
daß man zwischen Körpern, die im normalen Zustand keine nennenswerte Potentialdifferenz
haben, zwischen denen aber beim Auftreffen von Wellen eine plötz:iche und hohe Spannungsspitze
auftritt, und bei denen mit normalen Mitteln kein wirkungsvoller Überschlag zu erzielen
ist, weil der Entladeverzug zu groß ist, durch eine Vorionisierung die Wirkung mittels
Hilfselektrode verbessert. Ein Beispiel ist in Abb. 7- gegeben. Zwischen den Elektroden
i und 2 auf der oberen Seite der Isolierplatte 3 befindet sich eine im Hauptstrom
liegende Drosselspule q.. Auf der unteren Seite liegt die geerdete Erregerelektrode
5 mit dem zugehörigen Schutzwiderstand 6 und Funk,-,nentziehschalter 7. Im normalen
Zustand wird durch die geerdete Anregungselektrode 5 eine Feldverzerrung auf der
oberen Seite der Platte 3 bewirkt, die aber, solange keine Wellen @ auftreffen,-
wirkungslos bleibt. Kommen dagegen im Zuge der Hauptleitung Wellen, welche durch
die Drosselspule q. gehen, so entsteht plötzlich zwischen den Elektroden i und 2
eine hohe Spannungsdifferenz von sehr kurzer Dauer. Da nun bereits Gleitfunken den
Übergang des Lichtbogens zi,,schen den Elektroden i und 2 vorbereitet haben, so
kann hier eine Entladung stattfinden, welche die Energie der Welle ganz oder teilweise
unschädlich macht. Natürlich wird man die ganz willkürlich gezeichnete Entfernung
der Elektroden i, 2 den jeweiligen Verhältnissen entsprechend einrichten.
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Die Anordnung nach Abb. 7 ist also die Kombination eines Schutzes,
der Funkenstrecke zwischen Polelektrode und Erde, Vorerregung durch Isolierkörper
und Fuükenentzieher enthält,' mit der Parallelschaltung einer vorionisierten Funkenstrecke
zu einer im Zuge der Hauptleitung liegenden Drosselspule. Die durch die Wellen in
der Drosselspule auftretende Spannungsspitze gleicht sich oberhalb der Isolierplatte
'3 zwischen den Elektroden i und -- aus, die- Spannungsspitze zwischen Hauptleitung
und Erde durch Randüberschlag über die Isolierplatte 3 zur Elektiode ' 5 und über
den Widerstand 6 nach Erde.
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Während bei der Anordnung nach Abb.7 die polführende Elektrode auf
der einen Seite der Isolierplatte, die geerdete auf der anderen Seite liegt und
die geerdete Elektrode eine einfache Anordnung mit einfachem Funkenentzieher darstellt,
kann man auch noch in ähnlicher Weise, wie dieses in Abb.3 dargestellt war, außer
den Hauptelektroden für die Erde Entlastungselektroden mit besonderer Schutzeinrichtung
verwenden. Eine solche Anordnung ist in Abb.8 perspektivisch gezeigt, wobei eine
rein schematische, nicht den räumlichen Verhältnissen der Praxis entsprechende Form
zur besseren Veranschaulichung gewählt wurde. Auf der Isolierplafte i befinden sich
Elektroden 2, 3 mit der dazwischenliegenden Drosselspule q.. Diese Elektroden werden
mit scharfen Kanten zu versehen- sein, welche einen Überschlag zwischen 2 und 3
erleichtern.
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Der Lücke zwischen den Elektroden 2 und 3 gegenüber steht die geerdete
Hauptelektrode 5, welche rechts und links von den Entlastungselektroden 6, 7 umgeben
ist. Die Hauptelektrode 5 soll gegen zu hohe Ströme geschützt werden; sie erhält
daher einen besonderen Widerstand 8, welcher mit dem normalen Erdwiderstand 9 des
Funkenentziehers io in Serie geschaltet ist. Die Entlastungselektroden 6, 7 sind
dagegen nur über den Widerstand 9 geerdet, so daß sie größere Energiemengen hindurchlässen.
Bei ihnen wird der Lichtbogen nicht mehr an der Isolierplatte i, sondern entfernt
davon in Luft brennen, also so lange andauern dürfen, bis der Funkenentzieher io
ihn zum Erlöschen bringt. Letzterer ist hier wieder als Kurzschließer dargestellt,
welcher gleichzeitig die Hauptfunkenstrecke zwischen den Elektroden 2 und 5 kurzschließt,
aber auch gleichzeitig die Entlastungsfunkenstrecke zwischen 2 und 6 bzw. 7.
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Man wird auch hier die in Abb.3 veranschaulichte Anordnung zur Überleitung
des Lichtbogens von der Hauptelektrode auf die Entlastungselektrode mittels eines
Isolierkörpers vorsehen. Sie ist zur Vereinfachung nicht gezeichnet.
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In allen Darstellungen ist die Hauptelektrode als Körper mit scharfen
Kanten gezeigt worden. Es ist eine solche Anordnung für viele Zwecke vorteilhaft,
aber bisweilen nicht notwendig, insbesondere nicht bei hohen Spannungen. Man kann
dasselbe auch erreichen, wenn man statt eines Metallkörpers mit Spitze einen solchen
verwendet, welcher sich in einem scharfen spitzen Winkel von dem Isoliermaterial
abhebt,
so daß ein spitzwinkliger Zwickel von Luft zwischen Glas und Metall übrigbleibt.
Auch hier bilden sich bekanntlich sehr leicht Vorentladungen, wie sich bei Durchführungen
für Hochspannung in höchst unangenehmer Weise gezeigt hat.
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Die Einstellung erfolgt durch Veränderung der Schlagweiten, relative
Lagenänderung zwischen Elektroden und Isolierplatten (Entfernung, Verschiebung,
Verdrehung), Veränderung der Form der Elektroden (z. B. Vorschieben von Spitzen,
Schneiden oder Kämmen), Veränderung der Größe, Form und Lage der Belege, Veränderung
ihres Potentials (z. B. durch Anschluß an Erde oder andere Phasen) und ähnliche
Mittel.