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Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Hochspannungsschalter mit Varistoren.
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Es sind Hochspannungsschalter bekannt, die mit
Varistoren ausgerüstet sind, insbesondere zum Schalten der
Nebenschlußreaktanzen elektrischer Netze. Die Aufgabe dieser
Reaktanzen, die auch als nicht-lineare oder variable Widerstände
oder spannungsabhängige Widerstände bezeichnet werden, besteht
in der Herabsetzung der Überspannungen.
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Bekanntlich ist der Schutz gegen Überspannung umso
wirksamer, je geringer die Betriebsschwelle des Varistors ist.
Je höher die Überspannung ist, umso größer ist die vom
Varistor absorbierte Energie.
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Die gewünschte Überspannungsgrenze liegt oft in der
Größenordnung der 1,5- bis 1,6-fachen Nennspannung (p.u.).
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Bei Leitungsschaltern, die mit Varistoren ausgerüstet
sind, muß ein wichtiges Problem in Betracht gezogen werden:
einerseits möchte man den Überspannungspegel auf 1,5 p.u.
festlegen, andererseits kann die Überspannung bei
Gegenphasigkeit 2 bis 2,5 p.u. erreichen.
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Man hat vorgeschlagen, einen Unterbrecher in Reihe mit
dem Varistor zu schalten, um eine zu hohe Spannung am Varistor
zu vermeiden. Trotz dieser Maßnahme bleibt der Varistor die
Quelle einer übermäßigen Energieabfuhr. Man nehme
beispielsweise den Fall einer Gegenphasigkeit beim Ausschalten. Während
einer Periode (von 50 oder 60 Hz) wird eine Spannung von etwa
2 p.u. an die Varistoren angelegt, ehe der Lichtbogen an den
Unterbrecherkontakten endgültig erlischt.
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Es ist bekannt, daß bei einer Spannung von 2 p.u. der
Strom einen hohen Wert erreichen kann; beispielsweise kann
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bei 1 p.u. der Strom 5/10000 Ampère erreichen,
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bei 1,5 p.u. wird 1 Ampère erreicht
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bei 2 p.u. werden 2000 Ampère überschritten.
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Da die Spannung mehrere Millisekunden lang zwischen
1,5 p.u. und 2 p.u. beträgt, erreicht die in die Varistoren
abgegebene Verlustenergie mehrere tausend Kilojoule.
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Diese Energie muß verringert werden und gleichzeitig
soll ein einwandfreier Betrieb bei 1,5 p.u. gewährleistet
sein.
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Der Fall der Spannungsübertragung an den Kleben eines
Schalters mit mehreren Kammern durch Teilzündungen im Fall der
Störungsunterbrechung oder Unterbrechen einer leerlaufenden
Leitung kann auch eine thermische Überlastung der Varistoren
mit sich bringen.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der
Schaffung eines Hochspannungsschalters mit Varistoren, der die
Lösung dieses Problems ermöglicht.
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Gegenstand der Erfindung ist ein
Hochspannungsschalter, der mindestens eine Unterbrecherkammer und parallel zu
dieser Unterbrecherkammer einerseits einen Varistor in Reihe
mit einem Unterbrecher und andererseits einen
Verteilungskondensator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein rein ohmm
scher Widerstand von einer Grziße zwischen 30 und 300 Ohm in
Reihe mit dem Varistor geschaltet ist.
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Bei einer besonderen Ausführungsform besteht der
Widerstand aus einem ersten Stapel von Scheiben, der in einem
Isolierrohr angeordnet ist, in welchem der Varistor in Form
eines zweiten Stapels von Scheiben liegt ist, wobei das Rohr
im Inneren einer Isolatorsäule mit einem Gas guter
dielektrischer Eigenschaften untergebracht ist.
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Bei einer Variante besteht der Widerstand aus einem
Stapel von Scheiben, die in einem Isolierrohr liegen, wobei
das Rohr waagrecht angeordnet ist und mechanisch und
elektrisch mit einer Seite an eine Säule, die die
Hauptunterbrecherkammer enthält, und mit der anderen Seite an eine Säule
angeschlossen ist, die den Varistor enthält.
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Gemäß einer weiteren Variante sind der aus Stäbchen
gebildete Widerstand und der Varistor nebeneinander in einer
Isolierhülle untergebracht, die über der
Hauptunterbrecherkammer
angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren Variante ist der Varistor in
einer Säule angeordnet, die mit einem Deckel versehen ist, der
eine waagerechte Verlängerung besitzt, die den zugehörigen
Widerstand enthält, wobei die Verlängerung durch einen Boden
geschlossen ist, der mit einem Stromanschluß versehen ist.
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Vorteilhafterweise liegt der Deckel mit der den
Widerstand enthaltenden Verlängerung oberhalb der Hauptkammer.
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Das Material des Varistors ist unter den Verbindungen
auf der Basis von Zinkoxid und Siliziumkarbid gewählt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden
Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung verdeutlicht.
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Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Schalters
gemäß der Erfindung mit zwei Unterbrecherkammern.
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Figur 2 ist eine axial geschnittene Teilansicht einer
Isolatorsäule, die einen Varistor und seinen zugehörigen
Widerstand enthält.
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Figur 3 ist eine axial geschnittene Teilansicht einer
Isolatorsäule, die einen Varistor enthält, wobei der
zugehörige Widerstand zwischen der Säule und derjenigen Säule
angeordnet ist, die die Hauptunterbrecherkammer enthält.
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Figur 4 ist eine axial geschnittene Teilansicht einer
anderen Ausführungsvariante, bei der der Varistor und der
Widerstand nebeneinander in der gleichen Isöliersäule
angeordnet sind.
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Figur 5 ist eine schematische Ansicht eines Schalters
mit zwei in Reihe angeordneten Unterbrecherkammern, bei dem
der einem Varistor zugeordnete Widerstand in einer
Verlängerung des Deckels der Säule angeordnet ist, die den Varistor
enthält.
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In Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen L eine Phase
einer Hochspannungsleitung, in die ein Schalter eingefügt ist,
der für jede Phase zwei in Reihe liegende Unterbrecherkammern
1 und 2 enthält. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind weder
die Halterungen der Unterbrecherkammern noch ihre
Betätigungsmechanismen dargestellt. Die Unterbrecherkammern bestehen in
allgemein bekannter Weise aus einer isolierenden Säule, die
mit einem Gas hoher dielektrischer Durchschlagsfestigkeit, wie
Schwefelhexafluorid mit einem Druck von einigen Bar gefüllt
ist.
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Parallel zu jeder der Unterbrecherkammern sind jeweils
entsprechende Isolatorsäulen C1 und C2 angeordnet. Diese
Säulen enthalten ein dielektrisches Gas oder eine dielektrische
Flüssigkeit und einen Kondensator, der zur Aufteilung der
Spannung zwischen den beiden Unterbrecherkammern bestimmt ist.
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Jede Kammer enthält parallel eine weitere Säule K1
bzw. K2, in deren Innerem sich ein Varistor (V1, V2) und ein
Unterbrecher (I1, I2) in Reihenschaltung befinden.
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Gemäß dem Hauptmerkmal der Erfindung befindet sich in
der Schaltung der Säulen K1 und K2 ein Reihenwiderstand (R1,
R2).
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Anhand eines Beispiels wird gezeigt, wie man den Wert
der zusätzlichen Widerstände R1 und R2 berechnen kann.
Nachfolgend wird mit Ra der gemeinsame ohm'sche Wert der
Widerstände R1 und R2 bezeichnet.
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Es wird gefordert, daß bei einer Überspannung U
entsprechend zwei p.u. der Strom im Varistor nicht einen
Schwellenwert Is überschreitet.
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Dem Schwellenwert Is entspricht eine Schwellenspannung
Us des Varistors. Der innere Widerstand des Varistors bei
diesem Schwellenwert besitzt den Wert:
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Rs = Us/Is
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Wenn Ra der Wert des zusätzlichen Widerstands ist, der
es ermöglicht, den Strom auf Is zu begrenzen, ergibt sich
unter Vernachlässigung der Impedanz der Schaltung die
nachfolgende Betriebsgleichung:
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U = Is (Ra + Rs)
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Als numerisches Beispiel sei gewählt:
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U = 900 kV Scheitelwert
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Is = 700 A Scheitelwert
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US = 845 kV Scheitelwert
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Rs = 1207 Ohm
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Daraus ergibt sich Ra = 80 Ohm, d.h. 40 Ohm für jeden
der Widerstände R1 und R2.
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Während des Durchgangs des Stroms von 700 A
Scheitelwert beträgt die Spannung an jedem Widerstand 28000 V
Scheitelwert.
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Die Gesamtdauer, bei der ein Strom von 700 A
Scheitelwert und in Gegenphasigkeit fließt, kann auf 6 Millisekunden
geschätzt werden.
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Diese Überlegungen ermöglichen es, die Größe der
Widerstände R1 und R2 zu bestimmen, die allgemein zwischen 30
und 300 Ohm liegen.
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Zurückkommend auf das vorherige Beispiel ergibt sich
für die während eines Betriebs mit Gegenphase durch den
Widerstand abgegebene thermische Verlustenergie ein Wert von
ungefähr
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Es sei bemerkt, daß im Fall der zeitweiligen rasch
auftretenden Überspannung (Fall der Unterbrechung durch
Kurzschluß, Fall der Spannungsverlagerung), die 2 p.u.
überschreitet oder die die Spannungsschwelle eines Varistorelements
überschreitet, durch den zusätzlichen Widerstand Ra der Strom
momentan auf einen akzeptablen Wert verringert werden kann,
beispielsweise auf 1500 Ampère in kurzer Zeit, mit 2,4 p.u.
Die Spannung an den Klemmen jedes Widerstands R1 und R2
beträgt dann 60 000 V Scheitelwert.
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Am Ende des Öffnungshubs der Unterbrecher I1 und I2
sind die Varistoren V1 und V2 völlig von der Schaltung
getrennt.
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Es sei bemerkt, daß die Benutzung zusätzlicher
Widerstände nicht für den Schutz gegen Störungen durch
Phasenerdschluß brauchbar sind; bei einem die Leitung treffenden
Blitzschlag
verhindert nämlich das Vorhandensein zusätzlicher
Widerstände das rasche Abfließen der Ladungen. Es entsteht dann
eine hohe Überspannung am Widerstand wegen der großen
Entladungsstromstärke, die gut zehn Kiloampere erreichen kann, und
wegen der großen Zunahmegeschwindigkeit des Stromes.
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Es ist zu beachten, daß man zur Verhinderung eines
erheblichen Spannungsabfalls im Augenblick des
Spannungsübergangs, der eine hohe Frequenz erzeugt, dafür sorgen muß, daß
die Verbindung zwischen dem Widerstand und dem Varistor so
kurz wie möglich ist.
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Nunmehr werden mehrere Ausführungsweisen der Erfindung
beschrieben.
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Figur 2 ist eine axial geschnittene Teilansicht der
Säule K1, die insbesondere den Varistor V1 und den Widerstand
R1 enthält.
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Im Inneren der keramischen Säule K1 ist ein Rohr 9 aus
isolierendem Material untergebracht, in welchem der Varistor
V1 und der Widerstand R1 angeordnet sind.
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Der Varistor V1 besteht aus einem Stapel von Scheiben
10 auf der Basis von Zinkoxid oder Siliziumkarbid (CSi). Das
obere und das untere Ende des Stapels sind durch
Metallscheiben 11 bzw. 12 verschlossen.
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Der Widerstand R1 besteht aus einem Stapel von
Scheiben 13, beispielsweise aus leitender Keramik auf
Kohlenstoffbasis. Der Stapel ist direkt über der Metallscheibe 11
angeordnet und steht in seinem oberen Abschnitt mit einer
Metallscheibe 14 in Kontakt. Eine Feder 15 preßt die Scheibe 14
gegen den Widerstandsstapel R1, indem sie sich auf der
Innenseite einer Metallhaube 16 abstützt, die die Säule K1
abschließt. Ein Metallgeflecht 17 bewirkt den Übergang des
Stroms zwischen der Haube 16 und der Scheibe 14.
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Das Bezugszeichen 18 bezeichnet den feststehenden
Kontakt des Unterbrechers I1, während das Bezugszeichen 19 das
Ende des beweglichen Kontaktes bezeichnet. Da die
Ausführungsform des Unterbrechers allgemein bekannt ist und aus dem
Rahmen
der vorliegenden Erfindung fällt, wurde der Unterbrecher
nicht im einzelnen dargestellt. Eine metallische Abdeckung 20,
die das Ende des Rohres 9 und einen Teil des feststehenden
Kontakts 18 umgibt, ermöglicht es, in dieser Zone die
Äquipotentialkurven zu glätten.
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Die Haube 16 ist elektrisch durch eine Leitung 21 mit
dem Oberteil der Hauptunterbrecherkammer 1 verbunden, die in
Figur 2 nicht dargestellt ist, wohl aber schematisch in Figur
1.
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Das Innere der Säule K1 ist mit einem Gas guter
dielektrischer Eigenschaften gefüllt, das den Ausschaltvorgang
begünstigt, wie etwa Schwefelhexafluorid, das rein oder
gemischt vorliegt und unter einem Druck von einigen Bar steht.
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Figur 3 stellt die Säulen 1 und K1 teilweise dar,
wobei der Widerstand R1 diesmal außerhalb der Säulen
angeordnet ist.
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Der Varistor V1 besteht wie bisher aus einem Stapel
von Scheiben 10, die oben von einer Metallscheibe 25 abgedeckt
werden, welche durch eine Feder 28 angedrückt wird, die sich
auf einem die Säule K1 verschließenden Metalldeckel 27
abstützt. Ein Metallgeflecht 28 zwischen der Scheibe 25 und dem
Deckel 27 bewirkt den Übergang des Stromes.
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Der Widerstand R1 besteht aus einem Stapel von
Scheiben 13, der in einem Isolierrohr 30 untergebracht ist,
beispielsweise aus Epoxyglas, das mit Rippen 31 versehen sein
kann, beispielsweise aus Silikon.
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Das Rohr 30 ist an seinen Enden durch Metallplatten 32
und 33 hermetisch geschlossen. Die Scheiben 13 werden durch
eine Feder 34 angedrückt, die sich zwischen der Platte 32 und
einer Metallscheibe 35 am Ende des Stapels anlegt. Eine
metallische Tresse 36 zwischen der Platte 32 und der Scheibe 35
bewirkt den Übergang des Stromes.
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Das Rohr 30 ist waagrecht zwischen den Säulen 1 und K1
angeordnet, mit denen es mechanisch und elektrisch verbunden
ist. Hierzu verbinden die Anschlüsse 37 und 38 einerseits die
Platte 32 und die obere metallische Abdeckung 39 der Säule 1
und andererseits die Platte 33 und den Deckel 27.
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Der Widerstand R1 wird nur während einer sehr kurzen
Zeit vom Strom durchflossen. In der "offenen" oder
"geschlossenen" Stellung des Schalters befinden sich die Anschlüsse 37
und 38 auf dem gleichen Potential. Es liegt also keine
dauernde Spannung am Widerstand R1.
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Unter diesen Bedingungen stellt die Verwendung von
isolierenden synthetischen Produkten keinen Nachteil dar.
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Die Scheiben 13 können aus einem einzigen Block
bestehen und durch Umgießen in eine synthetischen Umhüllung
eingeschlossen sein.
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Figur 4 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der der
Varistor V1 und der Widerstand R1 in der Hülle 1 untergebracht
sind, die die Hauptunterbrecherkammer enthält.
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Der Varistor V1 besteht aus einem Stapel von Scheiben
10, die in einem Rohr 40 angeordnet sind, das mit dem Deckel
41 der Säule 1 verschlossen ist. Dieser Deckel ist an der
Oberseite einer isolierenden zylindrischen Hülle 42
angeordnet, die Rippen 43 aufweist. Die Hülle, die die Säule 1
überragt, kann aus Porzellan oder einem isolierenden synthetischen
Material bestehen.
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Wie vorher wird der Stapel der Scheiben 10 von einer
Metallscheibe 44 abgedeckt, die als Auflager für eine Feder 45
dient, die sich im übrigen gegen den Deckel 41 abstützt.
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Der untere Abschnitt des Rohres 40, der nicht
dargestellt ist, dient als Träger für den halbfesten
Einkopplungskontakt des Varistors, wie er beispielsweise in dem
französischen Patent Nº 2 512 267 beschrieben ist.
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Der Widerstand R1 besteht aus einem oder mehreren
Stäbchen 70 auf Kohlenstoffbasis (keramischer Widerstand)
geringen Durchmessers, die in Isolierrohren 71 untergebracht
und zwischen dem Deckel 41 und dem Stromanschluß 51 der Kammer
1 befestigt sind. Die Anzahl der Stäbchen hängt von der zu
absorbierenden Energie ab.
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Das Bezugszeichen 52 bezeichnet das feststehende
Kontaktrohr für den Übergang des Dauerstroms.
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Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der
Erfindung für einen Schalter mit zwei Unterbrecherkammern je Phase.
Die der Figur 5 und der Figur 1 gemeinsamen Elemente traben
die gleichen Bezugszahlen bzw. Bezugszeichen.
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Die Varistoren V1 und V2 sind in der Säule K1 bzw. der
Säule K2 angeordnet. Sie werden durch isolierende Träger 81
und 82 gehalten, die an den die Säulen K1 und K2 überragenden
Metalldeckeln 91 und 92 befestigt sind.
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Die Metalldeckel 91 und 92 besitzen waagrechte,
zylindrische Verlängerungen 91A und 92A, in denen je einer der
Widerstände R1 und R2 untergebracht ist. Die Widerstände R1
und R2 sind einerseits an den Trägern 81 und 82 und
andererseits an den metallischen Böden 91B, 92B befestigt, die die
Zylinder 91A, 92A verschließen. Die Böden 91B, 92B besitzen
Stromanschlüsse 91C, 92C, die durch ein Anschlußrohr 94
verbunden sind, um die beiden Unterbrecherkammern 1 und 2 in
Reihe zu schalten.
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Die Säulen K1 und K2 sowie die zylindrischen
Verlängerungen der Deckel bilden dichte Einheiten, die mit einem
dielektrischen Gas gefüllt sind. Die Varistor-Widerstands-Paare
V1, R1 und V2, R2 befinden sich im gleichen dielektrischen
Fluid.
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Natürlich kann der Deckel 91 mit seiner waagrechten,
zylindrischen Verlängerung 91A ohne weiteres auch auf der
Isolierhülle 1 der Hauptkammer montiert sein.
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Die Erfindung findet bei Hochspannungsschaltern und
insbesondere bei Reaktanzschaltern Anwendung.