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Überspannungsableiter Die Erfindung bete ifft einen überspannungsableiter,
bei welchem das Netz über spannungsabhängige Widerstände mit Erde verbunden ist.
Gemäß der Erfindung sind parallel zu einem Teil der spannungsabhängigen Widerstände
Funkenstrecken vorgesehen, deren Ansprechen bei Auftreten einer überspannung durch
Staffelung der Widerstände derart gesteuert ist, daß das Ansprechen nacheinander
erfolgt.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß nur bei sehr
hohen Überspannungen sämtliche Funkenstrecken überschlagen werden, während der größere
Teil von ihnen in einer erheblichen Anzahl von Fällen gar nicht erst anzusprechen
braucht. Dadurch werden nicht nur die Funkenstrecken geschont, welche nicht überschlagen,
sondern auch die übrigen, :weil ein größerer Widerstand vorgeschaltet bleibt und
den zustande kommenden Strom begrenzt.
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Die Staffelung kann entweder so erfolgen, daß die Widerstände gleich,
aber die Schlagweiten der Funkenstrecken verschieden sind, was immerhin fabrikatorische
Vorteile hat, oder daß die Funkenstrecken gleich und die Widerstände verschieden
sind. Im letzteren Falle kann man eine bessere Löschwirkung erzielen, die ja bekanntlich
mit zunehmender Schlagweite abnimmt. Natürlich können beide Bemessungsarten auch
miteinander kombiniert werden.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die übereinander
angeordneten Widerstände als Kreisringe ausgebildet werden und die Funkenstrecken
in ihrem Innern enthalten., Hierdurch wird zugleich ein Schutz der Funkenstrecken
gegen Korona-
Wirkung erzielt. Es bilden also die Widerstände einen
Isolierzylinder, in welchem sich die Funkenstrecken übereinander derart befinden,
daß jeder Lichtbogen die anderen. Funkenstrecken direkt anstrahlt.
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Damit die Ansprechspannung des Ableitese möglichst konstant ist, werden
die durch Funkenstrecken überbrückten Widerstände in einem besonderen luft- und
feuchtigkeitsdicht verschlossenen Isolierzylinder untergebracht.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Der in Abb. i dargestellte Ableiter besitzt ein äußeres Gehäuse mit
einer zylindrischen Wandung io aus Isoliermaterial, beispielsweise Porzellan. Der
Zylinder io ist an seinem oberen Ende durch eine aufgekittete Metallplatte i i verschlossen.
Eine Metallkappe 12 ist mit der Platte i i verschraubt und mit einer Anschlußklemme
13 versehen. Die metallische Tragplatte 14, welche eine Erdklemme 15 besitzt, ist
mit einer metallischen Fassung 16 v erschraubt, welche ihrerseits mit dem unteren
Ende des Isolierzylinders io verkittet ist. Die innere Öffnung der Fassung 16 ist
nach dem Zylinder io zu durch eine Metallplatte 17 verschlossen, welche nötigenfalls
mit Ventilationsöffnungen 18 ausgerüstet sein kann. Die Metallplatte ig wird von
Schrauben 2o getragen, welche auf der Platte 17 ruhen. Der Abstand der Platte ig
von der Platte 17 kann durch die Schrauben 2o eingestellt werden.
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Ein zweiter Zylinder 21, welcher aus Porzellan oder einem anderen
Isoliermaterial besteht, ist innerhalb des Zylinders io angeordnet. Beide Zylinder
sind koaxial. Der innere Zylinder 21 ist an seinem oberen Ende durch eine Metallkappe
22 und an seinem unteren Ende durch eine Metallkappe 23 dicht verschlossen und besitzt
im Innern einen Flansch 24 in Gestalt einer Schulter, welche eine Anzahl von Widerstandseinheiten
25 bis 31 trägt. Die Form dieser Widerstandseinheiten ist in Abb. 2 dargestellt.
Jede Einheit ist als hohler Ring oder Scheibe mit einer ebenen oberen und unteren
Fläche ausgebildet. Jede der ebenen Flächen der Widerstandsscheiben besitzt einen
metallischen Überzug, an welchem eine Metallplatte 32 mit einer zentralen Bohrung
angelötet ist. Die von den inneren Kanten der Platten 32 jeder Widerstandseinheit
herabhängenden Teile sind aufeinander zugebogen und -bilden innerhalb der Öffnung
mit ihren Enden eine Funkenstrecke 33.
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Eine andere Form einer Widerstandseinheit 34 ist in dem Isolierzylinder
21 zwischen dem Flansch 24 und der unteren Endkappe 23 enthalten. In Abb. i sind
zwei solche Einheiten vorgesehen. Eine davon ist im einzelnen in Abb. 3 wiedergegeben.
Jede Widerstandseinheit 34 besitzt die Gestalt eines auf einer Seite offenen Ringes.
Die sich =gegenüberliegenden Enden 35 des Ringes tragen Metallteile, die sich in
den Raum, welcher von dem Ring umgeben ist, erstrecken und hier die Funkenstrecke
36 bilden. An das eine Ende der unteren Widerstandseinheit 34 ist eine Zunge 37
angeschlossen, welche an einer zwischen der Endkappe 23 und dem Isolierzylinder
21 festgeklemmten Platte 38 hochgebogen ist. Ein Ende der oberen Widerstandseinheit
34 ist mittels eines Streifens 39 an den hohlen Metallring 4o, angeschlossen, welcher
auf dem Flansch 24 unterhalb der Widerstandseinheit 25 ruht. Die anderen beiden
Enden der beiden Widerstandseinheiten 34 sind miteinander durch einen Metallstreifen
41 verbunden. Die Widerstandseinheiten 25 bis 31 und die Widerstandseinheiten 34
bilden innerhalb des Isoliergehäuses 21 und der an den Enden befindlichen Kappen
22 und 23 eine vollständig verschlossene Funkenstreckeneinheit.
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Eine Anzahl von Widerstandsplatten oder Scheiben 42 ist zu einem Stapel
übereinander zwischen der oberen Kappe 22 und der Platte i i am oberen Ende angeordnet.
Eine Feder 43 zwischen der Platte i i und der oberen Widerstandseinheit 42 dient
der Festhaltung der Widerstandseinheiten 42 und der Funkenstreckeneinheit. Der Druck
der Feder 43 auf die Widerstandseinheiten 42 kann mittels der verstellbaren Schrauben
2o geregelt werden. Die Widerstandsscheiben 42 sind voneinander durch metallische
Abstandhalter 44, deren Form in Abb. 5 gezeigt ist, getrennt, welche im Durchmesser
bedeutend kleiner als die Widerstandsscheiben selbst sind. Unter normalen Bedingungen
besteht zwischen den benachbarten Scheiben eine leitende Verbindung nur so weit,
als sie von den Abstandhaltern 44 bedeckt sind. Die Dicke der Scheiben 44 und demgemäß
der Zwischenraum zwischen den äußeren Teilen der Widerstandsscheiben 42 ist ausreichend,
um eine elektrische Entladung zwischen den Abstandshaltern unter normalen Spannungsverhältnissen
zu vermeiden. Die Abstände der Scheiben sind vorzugsweise in der Größenordnung von
o,5 mm gehalten. Ein durch die Scheiben 42 unter normalen Bedingungen fließender
Strom wird sich im wesentlichen auf diejenigen Teile der Scheiben beschränken, welche
von den Abstandshaltern 44 bedeckt sind. Die gesamte obere Fläche der oberen Scheibe
42 ist mit einem Metallüberzug versehen, damit eine gut leitende Verbindung zwischen
dieser Widerstandsscheibe und der Feder 43 hergestellt wird. Ebenso ist die ganze
untere Fläche der unteren Widerstands-
Scheibe 42 mit einen Metallüberzug
versehen, um eine gut leitende Verbindung mit der Metallkappe 22 herzustellen. Diejenigen
Teile der Flächen der Widerstandsscheiben 42,: welche mit den Abstandsteilen 44
in Berührung stehen, sollen, wie in Abb. 4 dargestellt, ebenfalls mit einem Metallüberzug
45 so weit bedeckt sein, daß eine gut leitende Verbindung zwischen den Widerstandsscheiben
42 und ihren Abstandshaltern 44 hergestellt wird.
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Das Widerstandsmaterial in, den Widerstandseinheiten 25 bis
31 und 42 muß eine große umgekehrte Spannungswiderstandscharäkteristik besitzen,
d. h. wenn an einen Teil des Widerstandsmaterials eine steigende Spannung angelegt
wird, dann muß der Widerstand des Materials sehr stark abnehmen und durch das Material
demgemäß ein sehr stark anwachsender Strom fließen. Es ist auch wichtig, daß nur
eine sehr kleine Zeitverzögerung zwischen der Spannungsänderung und der entsprechenden
Änderung von Widerstand und Strom vergeht. Die Widerstände 25 bis 31 besitzen verschiedenartige
Charakteristiken, obschon sie ähnlich von Gestalt und Größe sind. Wie in Abb. z
durch Schraffierung angedeutet, nehmen die Widerstandswerte der Einheiten von 25
nach 31 ab, wobei die Einheit 25 den höchsten und die Einheit 31 den niedrigsten
Widerstandswert besitzt. Es ist jedoch nicht erforderlich, daß die Widerstände alle
voneinander verschieden sind. Sie können sich auch aus Gruppen von gleichen Widerstandseinheiten
zusammensetzen. Wie die Abb. r zeigt, haben die Einheiten 25 und 26 den höchsten
Widerstandswert, die Einheiten 27 und 28 einen etwas niedrigeren als jene und die
'Einheiten 29 bis 31 einen noch niedrigeren Widerstandswert. Der Widerstandswert
jeder Einheit 34 soll hoch sein und sich nur wenig mit der Spannung ändern, d. h.
die umgekehrte Spannungswiderstandscharakteristik der Einheiten 34 soll bedeutend
niedriger als die der Einheiten 25 bis 31 und 42 sein. Der hohe Widerstand jeder
Einheit 34 läßt sich zum Teil mittels der Eigenschaften des in einer Einheit verwendeten
Materials einstellen. Jedoch ist er auch im hohen Maße durch den bedeutend kleineren
Querschnitt und längeren Stromweg gegenüber den Einheiten 25 bis 31 bedingt. Der
Widerstand der beiden Einheiten 34 kann bei hohem Spannungsstoß im Vergleich zu
dem Gesamtwiderstand der übrigen Widerstandseinheiten 25 bis 31 und 42 von der gleichen
Größenordnung sein.
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Die Wirkungsweise des Ableiters und das Zusammenarbeiten seiner Teile
sei an Hand der Abb.6 erklärt, in welcher das Spannungsstroindiagramin des erfindungsgemäßen
Überspannungsableiters gezeigt ist, wobei die Kurven Summenkurven im doppellogarithmischen
Maßsystem darstellen. Im besonderen ist gezeigt, wie die Charakteristiken den Strom
durch den Ableiter bestimmen, wenn eine hohe Stoßspannung, wie sie durch Blitz hervorgerufen
werden kann, auf die Anschlußklemme 13 des Ableiters auftrifft. Die Klemme
13 des Ableiters kann unmittelbar an die Hochspannungsleitung, beispielsweise
an eine Phase eines Netzes, angeschlossen werden. Es entsteht dann eine Verbindung
von der Leitungsklemme 13 über die Widerstandsscheiben nach der Erdungsklemme 15.
Das in,den Widerstandseinheiten verwendete Widexstandsmaterial und die Zahl der
Einheiten sind so zu wählen, daß unter normalen Bedingungen die Verluste über den
Ableiter vernachlässigbar klein sind. Der geringe Strom, welcher natürlicherweise
fließt, ist nur nützlich, da er den Ableiter, und zwar insbesondere die Funkenstrecken
trocken erhält, selbst wenn der Abschluß des Raumes nicht vollkommen dicht ist.
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Es sei angenommen, daß der Ableiter an eine Phase mit 94oo Volt eines
Drehstromnetzes angeschlossen sei. Dann beträgt der Verluststrom nach Erde unter
normalen Spannungsbedingungen nur ungefähr- o,ooz Ampere. Hierbei ist angenommen;
daß die Widerstandscharakteristiken der Widerstandseinheiten 25 bis 31, 34 und 42
den Kurven C25 bis C31, C,4 und C42 der Abb. 6 entsprechen. Wenn nun eine der anderen
Phasen des Drehstromnetzes plötzlich geerdet wird, dann steigt die Spannung derjenigen
Phase, mit welcher der Ableiter verbunden ist, auf 16 2oo Volt an. Dieses Anwachsen
der Spannung an den Widerstandseinheiten ruft eine Verringerung der Widerstände
der Einheiten 25 bis 3 1 und 42 hervor, und der Strom wächst entsprechend
den Kurven in Abb. 6 an. Der Strom beträgt dann etwa o;or Ampere. Er ist noch nicht
so groß, daß der Ableiter beschädigt wird.
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Es sei nun angenommen, daß eine hohe Stoßspannung, wie sie durch einen
Blitzschlag verursacht sein kann, plötzlich der Klemme 1ß des Ableiters aufgedrückt
wird. Alsdann steigt die Spannung am Ableiter mit äußerster Schnelligkeit längs
der oberen Kurve C14 der Abb. 6 an. Diese Spannung verteilt sich über die Widerstandseinheiten
entsprechend den anderen Kurven der Abb.6.
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Die Widerstandseinheiten 42 sind alle als gleich angenommen, und die
eine Kurve C42 zeigt die Charakteristik dieser ganzen Gruppeneinheit. Jeder der
Widerstände .der Einheiten 34 und 25 bis 3z wird durch Funkenstrecken 36 und 33
überbrückt. Durch den recht hohen Widerstandswert der beiden Einheften
34
im Vergleich zu denienigem der anderen Widerstandseinheiten wird ein großer Teil
der Spannung an den beiden Widerstandseinheiten 34 auftreten, beispielsweise bei
schweren Spannungsstößen die Hälfte der Gesamtspannung.. Die zwei Funkenstrecken
36 sind so eingestellt, daß sie überschlagen, wenn die Spannung an dem Ableiter
einen bestimmten Wert erreicht hat, z. B. 40000 Volt, wie in Abb. 6 angenommen ist.
Natürlich ist es unwahrscheinlich, daß beide Funkenstrecken 36 gleichzeitig überschlagen.
Sobald jedoch die eine von ihnen überschlägt, schließt der Lichtbogen die zugehörige-Widerstandseinheit
kurz, so daß die ganze Spannung den noch verbleibenden Widerstandseinheiten aufgedrückt
wird. Es sei angenommen, daß die Funkenstrecke 36 der unteren Widerstandseinheit
zuerst überschlägt. Dem Überschlag dieser Funkenstrecke entspricht die linke senkrechte
Linie C" der Abb. 6, welche einem Strom von weniger als i Ampere entspricht und
eine Abnahme der Gesamtspannung am überspannungsableiter von 40000 auf 3o ooo Volt
hervorruft.
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Da nun die Spannung längs der zweiten (rechten) Kurve C34 ansteigt,
so wird der Strom ebenfalls wieder ansteigen, bis 40 000 Volt erreicht sind
und die zwellte Funkenstrecke 36 anspricht. Hierdurch wird wieder die Spannung auf
etwa 3oooo Volt herabgedrückt, so daß die gesamte Spannung, welche dem Ableiter
aufgedrückt wird, an den verbleibenden Widerstandseinheiten 42 und 25 bis 31 liegt.
Diese Gesamtspannung verteilt sich wieder nicht gleichförmig auf die verschieden
bemessenen Widerstandseinheiten. Daher wird an den Einheiten 25 und 26 eine höhere
Spannung auftreten als an den übrigen Einheiten, so daß die Funkenstrecken 33 dieser
Einheiten 25 und 26 zuerst überschlagen und die zugehörigen Widerstände kurzschließen.
Dieser Vorgang setzt sich fort, indem die Funkenstrecken 33, wie durch die senkrechten
Linien C33 der Abb. 6 angezeigt wird, nacheinander zusammenbrechen, so daß der einzig
wirksame Widerstand noch der Gesamtwiderstand der Widerstandseinheiten 42 ist. Wenn
die Stoßspannung inzwischen nicht durch den Ableiter abgeführt worden ist, bevor
die letzte Funkenstrecke 33 anspricht, dann hat der Strom, wie aus Abb. 6 hervorgeht,
einerLWert von i oooAmpere erreicht. Wenn dieser Strom ansteigt, wird seine Dichte
in den Teilen der Widerstandseinheiten 42 zwischen den Abstandshaltern 44 so groß,
daß er sich in den Raum außerhalb der Abstandshalter ausbreitet.
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Es ist wichtig, daß die Entladung über die Funkenstrecken 33 und 36
mit möglichst kleiner Zeitverzögerung vor sich geht, sobald die Spannung an diesen
Funkenstrecken einen bestimmten Wert erreicht hat, bei welchem der Überschlag einsetzen
soll. Wie in Abb. i dargestellt, sind die Elektroden der Funkenstrecken 33'und 36
so angeordnet, daß jede Entladung die benachbarten Funkenstrecken beleuchtet. Diese
Beleuchtung bewirkt eine Tonisierung der benachbarten Funkenstrecken und eine Verringerung
der Zeitverzögerung zwischen dem Auftreten der Spannung und einem Einsetzen des
Entladung. Daher werden, nachdem die erste Funkenstrecke 36 überschlagen ist, die
übrigen Funkenstrecken der Reihenfolge nach ohne Zeitverzögerung überschlagen. Damit
die Funkenstrecken 33 nacheinander überschlagen, ist die Funkenstrecke 33 der Widerstandseinheit
25 ein wenig kleiner eingestellt als diejenige des Widerstandes 26. Wenn nun die
Schlagweiten der übrigen Funkenstrecken 33 nach und nach gesteigert werden, so werden
sie bald so groß, daß ihre Löschwirkung abnimmt. Damit daher die Schlagweite der
Funkenstrecke 33 beim Widerstand 27 nicht zu groß wird, kann sie ebenso kurz wie
bei 25 eingestellt sein, wobei aber der Widerstand der Einheit 27 kleiner als derjenige
von 25 ist. Die Funkenstrecke bei 25 wird daher eine größere Spannung als die von
27 erhalten und deshalb zuerst überschlagen. Auch können die Widerstände 27 und
28z gleiche Werte' besitzen, während die Länge der Funkenstrecke von 28 ein klein
wenig größer als diejenige der Funkenstrecke des Widerstandes 27 ist. Wie in Abb.
i dargestellt, sind die drei Widerstandseinheiten 29, 30 und 31 gleich, während
die Längen der Funkenstrecken verschieden sind, und zwar so, daß die Funkenstrecke
des Widerstandes 29 am kürzesten und diejenigen des Widerstandes 31 am längsten
ist.
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Die Metallelektroden, welche die Funkenstrecken 33 und 36 bilden,
sind gegen Feuchtigkeit durch das Gehäuse 21 und die Verschlußkappen 22, 23 geschützt.
Die Elektroden sind ferner durch die umgebenden Widerstandseinheiten 25 bis 31 und
42 abgeschirmt, so daß auch eine Koronabildung an, den Elektroden unter normaler
Spannung vermieden wird.