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Blitzableiter, bestehend aus einer Mehrzahl von aufeinandergeschichteten
flachen Körpern oder Scheib2n mit aneinander sich berührenden Flächen Die Erfindung
betrifft. Blitzableiter u. dgl., insbesondere Blitzableiter einfacher Art, die mit
einer Funkenstrecke ausgerüstet sind.
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Die bisher benutzten Blitzableiter gehören im allgemeinen in zwei
Gruppen, erstens solche mit Funkenstrecken und zweitens solche, die auf chemischen
Vorgängen beruhen. Blitzableiter mit Funkenstrecken bestehen meistens aus Zylindern,
Platten, Scheiben o. dgl., die aus Messing, Graphit u. dgl. bestehen können und
durch Luftzwischenräume voneinander getrennt und isoliert sind. In manchen Fällen
werden die Luftzwischenräume durch Widerstände überbrückt, und in anderen Fällen
wird statt eines Zwischenraumes ein Dielektriktun, wie z. B. Glimmer, zwischen den
Scheiben angeordnet. Diese verschiedenen Blitzableiterarten haben manche Nachteile,
weil es bei derartigen Konstruktionen schwierig ist, einen Blitzableiter zu erhalten,
der unter allen Bedingungen richtig arbeitet.
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Es ist ferner ein Blitzableiter vorgeschlagen worden, der im wesentlichen
aus einer Reihe von Klötzen besteht, in der abwechselnd filmbildende Metallklötze
mit Klötzen aus Graphit oder anderem Material, das mit dem Metall nicht zusammenschmilzt,
angeordnet sind, und wobei zwischen den Klötzen Zwischenlagern, aus Glimmer eingefügt
sind. Das zu diesem Zweck verwendete Metall besteht für gewöhnlich aus Aluminium,
also aus einem @oxydierbaren Metall, welches auf seiner Oberfläche ,eine nichtleitende
Schicht entstehen. läßt, die bei Anlegung einer außergewöhnlichen Spannung durchbrochen
wird und dann die durchgeschlagene Stelle durch Oxydation wieder zuschließt. Die
Wirkung dieses Blitzableiters beruht auf chemischen Vorgängen. Die chemischen Blitzableiter
unterscheiden sich von den mit Funkenstrecken versehenen Blitzableitern dadurch,
daß letztere nicht einfach die außergewöhnliche Spannung einer Kraftübertragungsleitung
abführen, sondern auch .bei Inwirkungtreten einen Kurzschluß oder einen Stromweg
niedrigen Widerstandes für die normale, von dem Generator gelieferte Spannung der
Übertragungsleitung bilden. Für die Unterbrechung dieses Kurzschlusses verläßt man
sich bei den Blitzableitern mit Funkenstrecken auf das Verschwinden der Spannung
am Ende jeder halben Periode. Bei Anlagen großer Leistungsfähigkeit wird jedoch
in dem Kurzschluß soviel Kraft aufgewendet, daß die Funkenstrecken eine Unterbrechung
des Stromflusses nicht herbeiführen
können, und zwecks Vermeidung
der Vernichtung des Ableiters wird es erforderlich" Widerstände zur Begrenzung des
Stromes mit dem Blitzableiter in Reihe zu schalten. Hierdurch wird jedoch auch die
Fähigkeit des! Blitzableiters, außergewöhnliche Spannungen abzuführen, begrenzt,
so daß die schützende Wirkung beeinträchtigt wird.
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Der elektrolytische Blitzableiter, welcher der weitverbreitetste chemische
Blitzableittelr ist, besteht für gewöhnlich aus Platten oder Tassen aus Aluminium
oder ähnlichem Metall, die ineinandergefügt sind, wobei die Abstände zwischen den
einzelnen Platten -oder Scheiben durch einen Elektrolyten, z. B. einer Boraxlösung,
ausgefüllt sind. ,Die gesamte Vorrichtung wird für gewöhnlich in einen mit Isolieröl
gefüllten Behälter getaucht. Die Wirkung dieses Ableiters beruht in erster Linie
auf dem Durchschlagen der dünnen Oxyd$chicht auf der Platte, was durch die durch
einen Blitzschlag hervorgerufene außergewöhnliche Spannung verursacht wird.
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Schutzvorrichtungen dieser Art haben mehrere wünschenswerte Eigenschaften,
die sie zum Gebrauch als Blitzableiter sehr geeignet machen. Sie haben aber den
Nachteil, daß sie eine beständige Wartung erfordern. Die Oxydschicht auf dem Aluminium
ist äußerst dünn und zergeht, wenn der Ableiter nicht arbeitet. Die Schicht muß
in gewissen Zeitabständen neu gebildet werden bzw. durch »Ladung« in den gebrauchsfähigen
Zustand zurückgeführt werden. Da Blitzableiter für Übertragungsleitungen an mehreren
Steller, der Leitung angeordnet werden, die mehr oder weniger unzugänglich sind,
wird durch die Notwendigkeit, den elektrolytischen Ableiter periodisch laden zu
müssen, bedeutende Mühe und beträchtliche Kosten verursacht. Es wird allgemein anerkannt,
daß der Wert des elektrolytischen Ableiters in seiner Volt-Ampere-Charakteristik
liegt. Untexhalb einer gewissen kritischen Spannung VI hat der Ableiter .einen hohen
Widerstand und läßt wenig Strom durch. Bei Spannungen, die oberhalb der kritischen
Spannungen liegen,, läßt der Ableiter den Strom leicht durchgehen, und derselbe
ist annäh-erud: durch die Formel
bestimmt, worin R den Entladungswiderstand bedeutet, V die während der Entladung
an den Ableiter angelegte Spannung und VI die kritische Spannung bedeutet, bei welcher
der Stromfluß durch den Ableiter beginnt. Der gemäß der Erfindung hergestellte Blitzableitex
weist die wünschenswerten Eigenschaften des elektrolytischen Ableiters auf, und
die Erfindung bezweckt, einen solchen Ableiter zu schaffen, .der die charakteristischen
Betriebsvorteile und den Wirkungsgrad der elektrolytischen Ableiter besitzt bei
Vermeidung des Nachteils der hohen Kosten für Wartung.
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Die Erfindung bezweckt ferner, einen Blitzableiter zu schaffen, dessen
Bauart äußerst einfach ist und die Massenfabrikation durch ungelernte Arbeiter bei
niedrigen Kosten iermöglicht, und der ferner siehrwirkungsvollist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, d.aß sich eine Volt-Ampere-Charakteristik
,ähnlich der des elektrolytischen Ableiters ergibt, wenn kleine Luftzwischenräume
zwischen flachen Elektroden aus einem Material benutzt werden, die an den Berührungspunkten
oder Flächen einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand aufweisen. Hierdurch
wird die Stromdichte bei der Entladung verhältnismäßig klein gehalten, so daß keine
örtliche Erhitzung entsteht. Die Entladespannung ist verhältnismäßig groß, so daß
diese dieselbe Größenordnung wie die Durchschlagsspannung des Entladungszwischenraumes
annimmt: Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß bei einem Blitzableiter, der
aus einer Mehrzahl von aufeinandergeschichteten Körpern mit sich berührenden Flächen
besteht, sämtliche Körper aus einem Material von verhältnismäßig hohem spezifischem
Widerstand hergestellt sind. Eine Zusammensetzung der Körper, die für die Zwecke
der Erfindung sich als geeignet erwiesen hat, besteht aus' einer Mischung von Karborundum,
Ruß <oder Graphit - und Kaolin, welches -zusammenge= preßt und dann in der Form
eines Stabes gebacken und dann in Scheiben zerschnitten wird. Dieses Material besitzt
einen verhältnismäßig hohen spezifischen -Widerstand, der etwa Zoo Ohm pro Kubikzentimeter
beträgt. Bei einer Ausführungsform w erdet di° F_ächen der Scheiben so glatt wie
möglich gemacht,. und diese werden in Berührung miteinander' zusammengefügt. In
Wirklichkeit ist nur an wenigen Stellen Kontakt vorhanden, und der größte Teil der
aneinanderliegenden Flächen ist durch winzige Zwischenräume getrennt. Bei gewöhnlicher
Sorgfalt bei der Anfertigung schwanken die Zwischenräume zwischen weniger als o,oa
mm und etwa o,16 mm. Der Zwischenraum sollte an keiner Stelle letzteres Maß bedeutend
übersteigen, da diese Stelle dann für die Entladung weniger wirksam wird. Wird eine
niedrige Spannung angelegt, so wird der Strom nur an den wenigen direkten Berührungsstellen
übergehen, und da der Widerstand des Materials verhältnismäßig hoch ist, wird unterhalb
der Durchschlagsspannung nur wenig Strom durchgelassen. Wird jedoch die kritische
Spannung überschritten,
so wird die große Anzahl der winzigen Zwischenräume,
die über die aneinanderliegenden Flächen der Scheiben verteilt sind, durchschlagen,
und es findet dann ein freier Stromübergang an der ganzen Fläche in im wesentlichen
gleicher Verteilung statt.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
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Abb. i ist eine Ansicht teilweise im Schnitt eines Blitzableiters
nach der Erfindung. Abb. 2 -zeigt zwei gegeneinanderliegende Körper des Blitzableiters
in vergrößertem Maßstabe, damit die Kontaktfläche und die Zwischenräume zwischen
den Körpern und der Stromübergang bei niedriger Spannung besser Hervortreten.
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Abb. 3 ist eine ähnliche Ansicht, in welcher der Stromdurchgang bei
'Spannungen, die oberhalb der kritischen oder Durchschlagsspannung des Ableiters
liegen, dargestellt ist.
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Abb. 4. ist eine Kurve, die die Entladung über einen Zwischenraum
unter verschiedenen Spannungs- und Strombedingungen darstellt, und Abb.5 ist eine
Ansicht zur Veranschaulichung der verschiedenen Erscheinungen bei einer Glimmentladung
zwischen zwei Elektroden.
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Gemäß Abb. i wird irgendeine Stelle i einer Kraftübertragungsleitung
.o. dgl. durch einen Leiter 2 mit in Reihe geschalteter Funkenstrecke 3 an den Blitzableiter
4. angelegt. Der Ableiter besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 5 aus Porzellan
oder anderem Isoliermaterial und hat unten einen nach innen verlaufenden runden
Flansch 6. Auf den Flansch 6 ist eine Metallplatte 7 gelegt, die durch eine Leitung
8 geerdet ist.
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Scheiben io, die aus dem Material mit hohem spezifischem Widerstand
bestehen, werden auf die Platte 7 gelegt, wobei so viele Scheiben genommen werden,
daß ein Ableiter mit der gewünschten Durchschlagsspannung entsteht.
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Eine Metallplatte i i wird auf die oberste Scheibe i o aufgelegt,
und damit ist ein Leiter 12 verbunden, an den die Leitung 2 angeschlossen ist. An
dem oberen Ende des Gehäuses 5 wird ein Deckel 13, der für gewöhnlich aus Isoliermaterial
besteht und eine Öffnung für den Leiter 12 aufweist, angeordnet. Eine Feder 1q.,
die zwischen die Metallplatte i i und den Deckel 13 eingefügt ist, hält die Scheiben
io in bestimmten Entfernungen voneinander. Die Scheiben io sind glatt geschliffen;
trotzdem weisen sie winzige Erhöhungen und Vertiefungen auf, so daß, wenn sie zusammengelegt
werden, direkte Bierührungen nur an verhältnismäßig wenigen Stellen 16 entstehen
und Zwischenräume 17 von verhältnismäßig großer Flächenausdehnung, wie in Abb. 2-
angedeutet, gebildet werden. Solange eine niedrige Spannung an die Scheiben angelegt
ist, kann ein Strom nur an den direkten Berührungsstellen 16 durchsickern, die ja,
wie gesagt, von kleiner Anzahl und kleiner Flächenausdehnung sind. Der Widerstand,
den der Blitzableiter bei niedriger Spannung dein Strom entgegensetzt, ist also
sehr hoch, so daß der Stromübergang dabei nicht nennenswert ist.
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Findet jedoch ein Überschlag an einer oder mehreren Stellen zwischen
den Scheiben i o statt, so dehnt sich infolge der außergewöhnlichen Spannung, wie
in der Abb.3 angedeutet, der Oberschlag über die ganze Zwischenfläche aus, und es
findet an allen Stellen ein im wesentlichen gleichmäßiger Stromübergang statt. Die
Stromdichte bleibt an jeder Stelle klein, weil der Widerstand der Scheiben einer
Konzentration der Entladung entgegenwirkt, so daß keine - örtliche Erhitzung an
irgendeiner Stelle stattfinden kann und der Übergang der Entladung von einer Glimmentladungsform,
die zu ihrer Aufrechterhaltung eine hohe Spannung erfordert, zu einer »B-ogenentladungsform«,
die nur einer niedrigen Spannung bedarf, vermieden wird. In den Abb. 2 und 3 -sind
die Zwischenräume zwischen den gegeneinanderliegenden Flächen natürlich zur besseren
Veranschaulichung bedeutend vergrößert dargestellt.
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Die Durchschlagsspannung für kleine Abstände bei den meisten Elektrodenmaterialien
ist am kleinsten, wenn der Abstand im Zwischenraum etwa o,ooi cm beträgt. Für die
Durchschlagsspannung sollte also diese Spannung gewählt werden. Bei den in der Praxis
angewendeten Materialien hat es sich herausgestellt, daß der größte Abstand, bei
dem noch eine gute Wirkung erreicht wird und eine Glimmentladung aufrechterhalten
wird, etwa o,16 mm beträgt.
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Da das richtige Arbeiten des Ableiters davon abhängt, daß die Entladung
die Form einer Glimmentladung beibehält und die Bildung eines Lichtbogens vermieden
wird, ist es am Platze, die Bedingungen zu untersuchen, unter denen eine Glimmentladung
stattfindet. Abb. q. zeigt die Volt-Ampere-Charakteristik einer Entladungsstrecke
für kleine Ströme, wobei die Ordinaten die Spannung und die Abszissen den Strom
bedeuten. Es ergibt sich, daß bei sehr kleinen Strömen, bei welchen die Kathode
nur wenig erhitzt wird, eine Glimmentladung gemäß der oberen Kurve stattfindet,
die zu ihrer - Aufrechterhaltung mehr als 35o Volt erfordert. Wenn die Elektroden
erhitzt werden; geht die Entladung von einer Glimmentladung in eine Bogenentladung,
die eine verhältnismäßig kleine Spannung, für gewöhnlich unter 5o Volt, erfordert,
über,
wie durch die untere Kurve veranschaulicht ist.
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Die Erfindung bezweckt, die Bildung eines Bogens zu vermeiden, nachdem
ein Durchschlagen gefschehen ist; denn. die Spannung, die zur Aufrechterhaltung
eines Lichtbogens erforderlich ist, ist verhältnismäßig klein, so daß eine solche
Bogenentladung bei einer normalen Netzspannung weiterbestehen würde. Dadurch, daß
die Entladung über die ganze Berührungsfläche der Scheiben verteilt wird, wird eine
Erhitzung der letzteren vermieden und die Aufrechterhaltung einer Glimmentladung
zu jeder Zeit ermöglicht. Diese Verteilung des Stromes wird bewirkt durch die Anwendung
von Elektroden von verhältnismäßig hohem spezifischem Widerstand, denn bei solchen
wird der Neigung, die die Entladung hat, sich auf eine Stelle zu konzentrieren,
durch den Ohmschen Widerstand der i'bergangsstelle von kleinem Querschnitt entg
egengewirkt.
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Zur weiteren Erklärung, warum kleine Abstände zwischen den Elektroden
zur Vermeidung einer Konzentration der Entladung wünschenswert sind, ist es erforderlich,
die Charakteristik einer Glimmentladung zu beachten. In der Abb. 5 ist eine Glimmentladung
bedeutend vergrößert dargestellt, und zwar ist das Bild das gleiche, @ob es sich
um eine Entladung bei niederem. Druck oder Atmosphärendruck handelt. Nur sind die
Entladungsstrecken bei Atmosphärendruck erheblich kleiner als bei niederen Drucken.
An der Elektrode 18, die hier als Kathode arbeitet, entsteht ein sehr kurzer Dunkelraum
2o, der als Kathodendunkelraum bekannt ist. Neben dem hathodendunkelraum befindet
sich das Glimmlicht 21, das auch verhältnismäßig kurz ist. Seine Länge beträgt etwa
(bei Atmosphärendruck) o, i bis o, i z 5 mm. Dann kommt der Fara:daysche Dunkelraum
2a, und neben der Elektrode 9 befindet' sich die positive, Säule 23, die
bedeutend länger ist.
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Ein großer Teil der Spannung, der -zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung
erforderlich ist, ist an und in der Nähe des Kathodendunkelraumes 2o konzentriert..
Bei einer Vergrößerung der Stromdichte hat diese Spannung die Neigung, höher zu
gehen, oder mit anderen Worten: Die Spannung-Stromdichtigkeits-Kurve ist eine ansteigende.
Der übrige Teil der Spannung wird in der posi-. tiven Säule 23 verzehrt,
deren Länge zu-oder abnimmt bei Vergrößerung .oder Verkleinerung des Abstandes
zwischen den Elektroden. Die Spannung in der positiven Säule ändert sich tungekehrt
wie die Stromdichte, so daß ;die Spannung-:Stromdichtig'keits-Ktuve eine abnehmende
ist. Es ist offensichtlich, daß eine Entladungsform mit einer abfallenden Spannung-Stromdichägk&ts-Charakteristik
die Neigung hat, den Entladungsquerschnitt zu konzentrieren, denn dadurch wird die
Spannung für einen gegebenen Strom erniedrigt. Da durch die Erfindung bezweckt wird,
alle Wirkungen, die eine Konzentration der Entladung begünstigen, abzuschwächen,
wird die positive Säule so kurz wie möglich gemacht, indem die Elektroden so dicht
aneinander gebracht werden, wie dies die praktische Ausführung zuläßt. Es folgt
daher, daß durch die Anwendung eines kleinen Abstandes und von Elektroden von erheblichem
spezifischem Widerstand die Entladung in der Glimmform aufrechterhalten wird, die
einige ioo Volt erfördert. Die Spannung, die für de Einleitung einer solchen Entladung
erforderlich ist, ist derjenigen, die die Glimmentladung aufrechterhält, ungefähr
gleich.
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Bei dem neuen Ableiter liegt bei gewöhnlicher Sorgfalt in. der Herstellung
der Abstand zwischen zwei nebeneinanderliegenden Flächen der Scheiben: zwischen
o. mm an den Punkten direkter Berührungund etwa o,oz mm an den. Stellen größten
Abstandes. Es werden also immer zwischen den aneinanderliegenden Scheibenflächen
Stellen vorhanden sein, wo der Abstand demjenigen der kleinsten Funkenbildungsspannung
entspricht. Infolgedessen wird die Durchschlagsspannung der Abstände zwischen den
Scheiben stets die kleinste Funkenbildungsspannung für Luft sein, und diese stimmt
auch beinahe überein mit der Spannung, die zur Aufrechterhaltung einer kurzen Glimmentladung
erforderlich ist.
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Die Volt-Ampere-Charakteristik füreineEntla.dung über einen Zwischenraum,
der der kleinsten Spannung entspricht, bei welcher ein Funke Übergeht, und der durch
Elektroden gebildet wird, die kühl gehalten werden, ist dann, wie folgt: Bis die
Durchschlagsspannung, die auch diejenige Spannung i'st, die zur Aufrechterhaltung
einer Glimmentladung erforderlich ist, erreicht wird, findet kein Stromübergang
statt. Große Ströme gehen nur bei Spannungen über, die nur-ein wenig größer sind
als die Durchschlagsspannung. Diese Charakteristik ist derjenigen. des elektrolytischen
Aluminiumableiters -ähnlich.
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Obwohl, iobergächlich betrachtet, der neue Blitzableiter einem aufgeschichteten
Kohlenwiderstand etwas ähnlich ist, unterscheidet er sich. doch in mehreren wichtigen
Punkten. Brei einem Blitzableiter, der gemäß der Erfindung angefertigt ist, wird
ein Material von hohexp Widerstand oder ein. Material, das an den Berührungsstellen
seiner Flächen einen verhältnismäßig hohen Widerstand aufweist, verwendet, während
bei dem aufgeschichteten Kohlenwiderstand ein Material von niedrigem Widerstand
gebraucht wird. Bei -der Vorrichtung
nach der Erfindung wird auf
die Platte ein konstanter Druck ausgeübt, während derselbe bei dem aufgeschichteten
Widerstand wechselt. Der Ableiter nach der Erfindung arbeitet dadurch, daß Funken
an den Stellen, wo sich Abstände befinden, übergehen, während in dem aufgeschichteten
Kohlenwiderstand eine Funkenbildung vermieden wird.. Außerdem besteht kein Analogon
zwischen einem Blitzableiter und einem aufgeschichteten Kohlenwiderstand, da beide
auf ganz, verschiedenen Prinzipien beruhen und verschiedenen Zwecken dienen.
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An Stelle von nichtmetallischen Materialien können auch Metalle verwendet
werden; wozu nur notwendig ist, daß das Materialoder anderes Material ein hohes
Wärmeleitungsvermögen und einen genügenden spezifischen Widerstand besitzt, um eine
Lichtbogenbildung zu verhindern.