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IJberspannungsableiter -Es sind Ventilüberspannungsableiter bekannt,
welche nach dem Ableiten der -Überspannung ihren Widerstand so stark erhöhen. daß
der Betriebsstrom nicht nachfolgen kann.
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Eine bekannte Art von Ventilableitern benutzt eine Glimmentladung
zur Abführung der Überspannungsenergie. Bei diesem Ableiter soll das Entstehen eines
Lichtbogens verhindert werden.
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Es ist ferner ein Ableiter von der Widerstandstvpe bekannt, dessen
Ableiterkörper aus Siliciumcarbid mit Tonzusatz besteht. Die Struktur dieses Ableiterkörpers
ist eine solche, daß die Entladungsbahnen über hintereinandergeschaltete punktförmige
Kontaktstellen leitender Teilchen verlaufen. Der Strom wird also durch Leitung abgeführt.
Der' Veritilcbaräkter beruht auf -einem als Kontaktphänomen bekannten physikalischen
Vorgang. Dieser Ableiter besitzt eine schleifenfreie Charakteristik, da das Widerstandsmaterial
keine inneren Trägheitserscheinungen zeigt. Sein Nachteil besteht darin, daß er
keine scharf ausgeprägte Sperrspannung hat.
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Nach der Erfindung wird bei einem Überspannungsableiter die Cberspannungsenergie
dadurch in Form einer aufgelösten Lichtbogenentladung abgeführt, daß die Lichtbogenentladung
durch einen Körper aus Isoliermaterial mit vielen engen Kanälen in ein Bündel dünnster,
durch die Isolierkanäle eingeengter Lichtbögen unterteilt ist.
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Zum Unterschied von den bekannten Ventilableitern benutzt der Ableiter
nach der Erfindung zur Abführung der Überspanntingsenergie sogenannte eingeengte
Lichtbogenentladungen. Infolge der sogenannten Lichtbogenhysterese besitzt dieser
Ableiter zum Unterschied von den bekanntem eine Charakteristik von deutlich ausgeprägter
Schleifenform. Sein Vorzug besteht darin, daß er eine besonders ausgeprägte Ventilwirkung,
insbesondere eine schärfe Sperrspannung, besitzt. Man kann infolgedessen seine Ansprechspannung
knapp über der Betriebsspannung des Netzes wählen, wodurch er die Anlage sehr weitgehend
gegen Überspannungen schützt und große Überspannungsenergien ableitet.
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Bei dem Ableiter nach der Erfindung hat man es auch in der Hand, die
sogenannte Ansprechspannung des Ableiters, das ist die Spannung, bei der die Ableitung
einsetzt, und seine Sperrspannung, bei der die Ableitung unterbrochen wird, einander
in sehr hohem Maße zu nähern und beim Erreichen dieser Spannungen den Ableitungsvorgang,
der sich gleichzeitig durch viele parallele Strombahnen
vollzieht,
in allen Bahnen gleichzeitig einsetzen zu lassen bzw. zu unterbrechen.
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Die Fig. i erläutert die Wirkungsweise der. Erfindung.
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In der Figur ist ein einziger Kanal dai# gestellt. Der Kanal ist umgeben
von zwei Prismen i aus Isoliermaterial, z. B. Glas,'-Schiefer o. dgl., und zwei
seitlichen Streifen 3 ebensolchen Materials, die die Kanalweite bestimmen. Zwei
Elektroden q. bilden den oberen und unteren Abschluß des Kanals. Die Wände des Kanals
üben eine stark entionisierende Wirkung aus, wodurch die zur Aufrechterhaltung des
Lichtbogens erforderliche Spannung erhöht wird. In Fig. a ist die Einwirkungder
Kanalweite auf die Mindestspannung, bei der der Lichtbogen bestehen bleibt, für
gleiche Kanaflängen diagrammatisch dargestellt. Es ist zu erkennen, daß diese Spannung
bei Kanalweiten von 6 mm abwärts sehr stark ansteigt und bei Weiten von l/iooo mm
sich der Spannung nähert, bei der der Lichtbogenüberschlag erfolgt, wie dies für
die Ansprech- und Sperrspannung des Überspannungsableiters erforderlich ist.
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Eine weitere Annäherung der beiden Spannungen erhält man, indem man
die Ansprechspannung herabsetzt. Dies kann man dadurch erreichen, daß die Kanalwände
mit fein verteiltem leitendem Material überzogen werden.
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Bei einer freien Lichtbogenentladung nimmt der Lichtbogenquerschnitt
mit wachsender Stromstärke zu, und der Lichtbogen sucht die Stromdichte beizubehalten,
bei der zu seiner Aufrechterhaltung die niedrigste Spannung nötig ist. Wird nun
durch die Kanalwände der Lichtbogen eingeengt, so steigt die Stromdichte an und
damit auch die Spannung, die zu seiner Aufrechterhaltung nötig ist. In Kanälen von
einigen tausendstel Millimeter Weite steigt die Stromdichte bis auf etwa zooo bis
4ooo Ampere je Quadratzentimeter an. Die Kanäle werden zwecks Hochhaltung der Sperrspannung
zweckmäßig so eng gehalten, daß die Lichtbogen sie ganz ausfüllen.
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Kanäle so geringer Weite lassen sich mit der nötigen Festigkeit gegen
die auftretenden hohen Gasdrücke schwer herstellen. Man kann aber auf einfache Art
eine große Zahl enger Kanäle mit mehr oder weniger zylindrischen Wänden und großer
Festigkeit erhalten, wenn man einen Behälter mit kleinen Teilchen oder Körnern aus
Isoliennaterial, z. B. Sand .oder pulverisiertem Quarz, füllt. So ergeben z. B:
Körner von 1,6 mm Durchmesser Kanäle, von etwa o,8 mm Weite, die eine Sperrspannung
in der Größenordnung von ioo Volt je Zentimeter haben, wogegen der frei in Luft
brennende Lichtbogen 40 V fein
verbraucht. Durch Verringerung der Korngröße
läßt sich die Kanalweite Herab- und damit die Sperrspannung heraufsetzen. Ist der
Überspannungsableiter für höhere Spannungen bestimmt, so kann pulverisiertes Isoliermaterial
verwendet werden. In diesem Falle muß das Material vollkommen ausgetrocknet und
hermetisch abgeschlossen werden. Nötigenfalls muß zur Trockenhaltung ein Anhydrid
o. dgl. vorgesehen werden. Ebenso muß das Pulver fest zusammengepreßt werden, damit
sich keime Kanäle mit größerer Weite bilden.
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In Fig. 3 ist eine Ausführungsform eines solchen. Ableiters dargestellt.,
Darin sind 6 die Körnchen aus Isoliermaterial, die durch einen Porzellanring 7 und
an den Enden des Porzellanringes angebrachte Elektroden 8 zusammengehalten werden,
wobei der Porzellanring 7 und die Elektroden 8 einen luftdichten Abschluß bilden.
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Eine weitere Möglichkeit, viele parallele Kanäle mit geringer Weite
und großer Festigkeit zu erhalten, besteht in der Verwendung eines porösen Blockes,
wie er in Fig. q. dargestellt ist.
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An Hand der Fig.5, 6, 7 soll die Wirkungsweise eines solchen Ableiters
näher erläutert werden.
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In. Fig. 5 ist die Stromspannungscharakteristik eines Lichtbogens
in freier Luft durch die ausgezogene Kurve cz, die mehrerer Lichtbogenentladungen
in Kanälen durch die gestrichelten Linien b, c, d dargestellt, und zwar ist
d die Charakteristik des engsten, b
die Charakteristik eines weitesten
Kanals.
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Mit wachsender Stromstärke nimmt die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens
in freier Luft nötige Spannung ab. Durch die Einengung des Lichtbogens in einem
engen Kanal ändert sich die Charakteristik vollkommen, und zwar fällt die Charakteristik
bis zu einer gewissen Stromstärke in dem gleichen Maße wie die des Lichtbogens in
freier Luft. Bei weiterer Steigerung der Stromstärke wird jedoch der Lichtbogen
durch die Kanalwände eingeengt, die Stromdichte des Lichtbogens und auch die zu
seiner Aufrechterhaltung nötige Spannung nimmt sehr stark wieder zu. Der Umkehrpunkt,
d. h. die Minimalspannung, bei der ein Lichtbogen auftritt, ergibt die Sperrspannung
des Kanals. Sie ist abhängig von der Kanalweite, und das Diagramm zeigt, daß sie
durch enge Kanäle wesentlich erhöht werden kann.
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Der Verlauf des Entladevorganges durch einen Lichtbogen- in einem
solchen Kanal geht ebenfalls aus dem Diagramm (Fig. 1) hervor. Steigt die an den
Enden des Kanals angelegte Spannung bis zur Ansprechspannung A an, so erfolgt der
Lichtbogenüberschlag,
durch den sofort der Strom Xd, X,
oder
Xb abgeführt und die Spannung abgesenkt wird. Mit sinkender Spannung nimmt die Stromstärke
langsam ab, bis die Sperrspannung S erreicht ist und der Lichtbogen erlischt. Aus
dem Diagramm geht hervor, daß die Stromstärke in den Kanälen mit geringerer Weite
und höherer Sperrspannung geringer ist. Demgemäß verwendet man viele enge Kanäle
und. kann dadurch große Energiemengen schnell abführen.
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Fig. 6 zeigt den Verlauf der Stromspannungscharakteristik eines aus
vielen paraheleh Känälen bestehenden Ableiters. Bei einerAnsprechspannung D werden
die Lichtbogen in - den Kanälen eingeleitet und die Übersparinüngsenergie abgeführt.
Die Spannung sinkt ab, bis sie bei C oder B' die Lichtbogen nicht mehr aufrechterhalten
kann. Die Kurve C gibt den Verlauf für die engeren Kanäle an und zeigt ebenfalls,
daß die Sperrspannung durch enge Kanäle der Ansprechspannung genähert werden kann.
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Bei dem Diagramm in Fig. 6 war arge nommen, daß ` in sämtlichen Kanälen
der, Lichtbogen bei derselben Spannung eingeleitet und auch unterbrochen wird. Dies
wird sich jedoch bei der Ausführung des Ableiters nicht ermöglichen lassen, so daß
eine andere Charakteristik, die in Fig.7 dargestellt ist, bei einem ausgeführten
Überspannungsleiter dieser Art vorhanden sein wird. Hierbei sprechen die einzelnen
durch die Kanäle dargestellten Funkenstrecken nicht gleichmäßig, sondern nacheinander
an, so daß mit zunehmender Spannung immer mehr Kanäle ansprechen und der abgeführte
Strom von einem Wert A auf einen Wert B zunimmt, bis die Zahl der
Kanäle genügt, um die Überspannung abzusenken. Ebenso werden bei sinkender Spannung
die Lichtbogen nicht gleichzeitig, unterbrochen, sondern nacheinander wie die untere
Kurve C zeigt.
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Wie bereits erwähnt, kann man die Ansprechspannung dadurch herabsetzen;
daß man die Wände der Kanäle mit fein verteilten Teilchen aus leitendem Material
bedeckt. Die Einwirkung dieser Teilchen läßt sich so erklären, daß sie bei den hohen
auftretenden Spannungen anfangen zu sprühen und dacfürcÜ die Luft in den Kanälen
ionisieren, so daß zur Erzeugung des Lichtbogens eine geringere Spannung nötig ist.
In Fig. ä ist diese Wirkung des leitenden Überzuges in den Kanälen dargestellt.
Darin zeigt E die Kurve ohne Zusatz, F und G den Ableitungsverlauf bei geringem
bzw. bei stärkerem Zusatz von leitenden Teilchen.
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Die feine `Verteilung der leitenden Teilchen auf die Oberfläche der
Kanäle kann durch Niederschlagen von verdampftem leitendem Material geschehen. Man
kann aber auch dem porösen Block vor seiner Herstellung diese leitenden Teilchen
in fein verteiltem Zustande zusetzen. Sie sind dann durch die Isoliermasse voneinander
isoliert, werden aber auch die Kanalwände durchsetzen, so daß die eben beschriebene
Wirkung zustande kommt. Der Zusatz an leitendem Material richtet sich dabei hauptsächlich
nach der Stärke der Poren, die die Liehtbogenpfade bilden. Größere Poren erfordern.
naturgemäß mehr leitendes Material, ebenso ist es erklärlich, daß ein zu geringer
Zusatz die Ansprechspannung nicht genügend herabsetzt, wie das bei F ' in Fig.-g
'gezeigt ist. Andererseits bewirkt ein zu großer Zusatz an Isoliermaterial, daß
keine scharfe Sperrspannung mehr vorhanden ist und der Betriebsstrom der zu schützenden
Leitung über die durch die leitenden Teilchen gebildeten Kriechwege abfließen kann.
Durch die leitenden Teilchen wird außerdem die Ansprechspannung der Poren verschiedener
Weite einander angeglichen; da ihre Wirkung in engen Poren größer ist als in weiten
Poren. Es ist vorteilhaft, eine möglichst horizontale Ansprechkurve zu erhalten,
weil dann die Überspannungsenergie sofort sehr stark abgeleitet -wird.
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Der poröse Block kann aus feuerfesten Isoliermaterialien jeder Art
hergestellt werden, es ist jedoch erforderlich, daß das Material beim Formen nicht
springt und kein Kristallwasser enthält. Zweckmäßig wird der Block aus gebranntem
Ton, z. B. Kaolin, hergestellt, mit dem als leitende Teilchen Siliciumcarbidteile
gemischt werden. An Stelle des Siliciumcarbids kann jedes andere leitende Material
verwendet werden, welches mit dem Isoliermaterial gemischt werden kann, ohne da.ß
die mechanische Festigkeit darunter leidet. Der gebrannte Ton ist eine poröse weiße
Substanz, in der verglaste Klumpen und kleinere Partikel bis hinab zu feinstem Staub
enthalten sind. Praktisch haben jedoch alle im gebrannten Ton enthaltenen Partikel
eine gröbere Körnung als der ungebrannte Ton. Die körnigen Partikel sind in hohem
Maße porös und absorbieren leicht Flüssigkeiten. Ton hat den Vorzug, daß er wenig
Verunreinigupgen von leitendem Material enthält: Es ist zweckmäßiger, das leitende
Material in entsprechenden Mengen zuzufügen. Während des Herstellungsverfahrens
des porösen Blockes ist das Material soweit wie möglich verschlossen zu halten,
um eine Verunreinigung mit Ruß oder sonstigem leitendem Material aus der Luft zu
verhüten.
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Der gebrannte Ton wird zunächst in einer Schleifmühle gemahlen, -um
die größeren Teile
zu verkleinern, sodann wird er durch eine Kugelmühle
zu gleichmäßigeren Teilchen zermahlen-und mit dem Siliciumcarbid gemischt, beispielsweise
im Verhältnis von 75 Gewichtsteilen Ton und 25 Gewichtsteilen Siliciumcarbid. Nunmehr
wird der Mischung Wasser zugesetzt, jedoch nur so viel, um sämtliche Teilchen anzufeuchten
und die Mischung rühren zu können. Das dadurch erhaltene plastische Material wird
sodann so weit getrocknet, daß es durch ein Sieb geschüttet werden kann, durch welches
die Körnung des Materials unterhalb einer bestimmten Grenze gehalten wird. Das halbtrockene
körnige Material wird dann weiter getrocknet, bis noch etwa 6 Gewichtsteile Wasser
darin enthalten sind, und dann in luftdichte Behälter gefüllt, um ein weiteres Trocknen
zu verhüten. Damit ist das Material fertig zum Formen, welches sobald als möglich
vorgenommen werden soll. Die Körnung wird deshalb so vorsichtig vorgenommen, damit
das Material die Form ganz ausfüllt und ein gleichmäßiges Produkt ergibt. Durch
die feuchte Mischung soll erreicht werden, daß die größeren Teilchen des Materials
sich mit kleineren Teilchen bedecken, so daß die Zwischenräume zwischen den einzelnen
Partikeln nicht mit kleinen Teilchen ausgefüllt werden können. Aus diesem Grunde
darf auch die Mischung nicht zu sehr mit Wasser vermengt werden, da dadurch leicht
die kleinen Teilchen von den größeren losgelöst werden könnten. Durch diese Vorsichtsmaßregeln
wird vermieden, daß die Poren des Blockes so klein werden, daß die Ansprechspannung
zu hoch liegt und außerdem die Lebensdauer und die Stromableitung herabgesetzt werden.
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Das Material wird in eine zweckmäßige Form, beispielsweise in Scheibenform,
unter einem entsprechenden Druck gepreßt (i t je Quadratzentimeter), sodann werden
die Scheiben der gewöhnlichen Raumtemperatur längere Zeit ausgesetzt und später
gebrannt. Wenn sie zu feucht zum Brennen kommen, wird die Charakteristik des Überspannungsableiters
abgeschliffen, so daß keine scharfe Sperrspannung mehr vorhanden ist. Kommen sie
hingegen zu trocken in den Brennofen, ist die mechanische Festigkeit und damit ihre
Lebensdauer gering.
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Die Scheiben werden vorzugsweise in einem geschlossenen Kohle- oder
Graphitbehälter gebrannt und einer entsprechenden Temperatur ausgesetzt. Als besonders
günstig für die angegebene Mischung hat sich eine Temperatur in der Nähe von 136o°
C herausgestellt. Geringere Temperaturen beeinträchtigen die mechanische Festigkeit,
höhere Temperaturen vergrößern das Schwinden, wodurch die Güte und die Lebensdauer
des Ableiters herabgesetzt wird. Bei anderen Mischungen wird die günstigste Temperatur
eine andere Größe besitzen. Die Brenntemperatur wird allmählich bis zum Höhepunkt
gesteigert und nach dem Brennen ebenso vermindert.
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Die Verwendung des Kohle- oder Graphitbehälters zeigt noch folgende
Vorzüge: Bei einer hohen Brenntemperatur entwickeln sich in dem Behälter Kohledämpfe,
die die Poren des Blockes ganz durchdringen und beim langsamen Abkühlen sich an
den Wänden der Poren niederschlagen, so daß durch diesen Niederschlag die Wirkung
der im Block vorhandenen leitenden Teilchen noch erhöht wird. Dieselbe Wirkung kann
man auch erreichen, wenn man den Brennvorgang in einer Atmosphäre vornimmt, welche
Gase enthält, deren Niederschlag auf den Porenwänden einen leitenden Überzug erzeugt.
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Nach Beendigung des Brennprozesses werden die parallelen Kontaktflächen
der Scheiben zweckmäßig mit einem leitenden Überzug, beispielsweise aus Kupfer,
versehen. Besonders geeignet hierfür hat sich das Schoopsche Metallspritzverfahren
erwiesen. Vorteilhaft wird dabei die Schicht nur bis zu einem gewissen Abstand vom
Rande der Scheibe aufgetragen, um die Gefahr eines Überschlages, der durch Kupferspritzer
auf den Außenflächen der Scheiben hervorgerufen werden könnte, zu vermeiden. Die
Außenfläche wird ebenfalls zur Vermeidung von Überschlägen mit einem Überzug aus
isolierendem Material, vörzugsweise mit Lack, überzogen.
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In Fig. g ist ein Überspannungsableiter, bei dem ein poröser Block
gemäß der Erfindung verwendet wird, dargestellt. Als Ableiterelement ist eine Scheibe
i9 zwischen einer unteren Platte 23, an der der Erdungsleiter 24 angeschlossen ist,
und einer oberen Platte 25, welche über eine Funkenstrecke 28 mittels des Leiters
26 an die zu schützende Leitung 27 angeschlossen ist. Die Funkenstrecke 28 hat die
Aufgabe, den Ableiter im normalen Fall von der Leitungsspannung zu trennen. Eine
Feder 29 preßt die Funkenstrecke kräftig gegen die obere Platte des Überspannungsäbleiters
und hält alle Teile in ihrer Lage fest. Die ganze Einrichtung ist in einem entsprechenden
Porzellangehäuse 30 untergebracht.