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Überspannungsschutzeinrichtung Im Hauptpatent ist ein überspannungsableiter
angegeben, frei dem die Überspannungsenergie in Form einer aufgelösten Lichtbogenentladung
abgeführt wird. Es wird ein Körper aus Isoliermaterial mit Kanälen von schmalem
Querschnitt verwendet, durch den die Lichtbogenentladung eingeengt wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine besondere Ausführungsform
und weitere Ausgestaltung derartiger fTberspannungsschutzeinrichtungen. Hierbei
ist wenigstens die eine der Elektroden in an sich bekannter Weise so ausgebildet
und angeordnet, daß das Innere des zwischen den Elektroden befindlichen Entladungsraumes
mit der Außenluft verbunden ist. Die Erfindung bezweckt die Herabsetzung der Ansprechspannung
bei Stoßbeanspruchung und die Eignung zur Bewältigung größerer Ströme bei Ausführungsformen,
bei denen die Wandungen des Entladungsraumes aus einem Stoff bestehen, der unter
Einwirkung des Lichtbogens löschfähige Gase freigibt.
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Gemäß der Erfindung sind zur Herabsetzung der Ansprechspannung,die
vordersten Teile der Elektroden scharfkantig ausgebildet. Auf diese Weise ergibt
sich ein hoher Spannungsgradient an der scharfen Kante, der das Ansprechen schon
bei verhältnismäßig niedriger Spannung begünstigt. Die den Lichtbogen einengende
Wirkung ,der schmalen Entladungsbahn, die dem Ableiter besonders gute Löscheigenschaften
verleiht,
und die die Ansprechspannung herabsetzende Wirkung der scharfkantigen Elektroden
ergänzen sich zweckentsprechend zu einem Ableiter von vorzüglichen Schutzeigenschaften
bei weitem Löschstrombereich.
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Ist die eine Elektrode geschlossen und die andere als Hohlelektrode
ausgebildet, so ist es weiterhin vorteilhaft, die geschlossene Elektrode mit einer
tiefen zentrischen Höhlung zu versehen, in die der Fußpunkt der an dem scharfkantigen
Rand der Elektrode gezündeten Entladung sofort unter Einwirkung der Gasströmung
übergeht. Auf diese Weise läßt sich die Gefahr ausschalten, daß der Lichtbogen durch
Stehenbleiben auf dem scharfkantigen vorderen Teil der Elektroden einen starken
Abbrand verursacht, wodurch der Elektrodenabstand sich vergrößern und der Wert der
Ansprechspannung sich entsprechend ändern könnte.
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Weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und
Haltbarkeit von Überspannungsschutzeinrichtungen nach dem Hauptpatent sollen an
Hand der nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele angegeben werden.
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Abb. i und 2 zeigen Funkenstreckenanordnungen nach der Erfindung .in
einer Bauart, die insbesondere für den Überspannungsschutz von Transformatoren in
Hochspannungsanlagen geeignet ist. Zwei Elektroden i, 2 stehen sich hier im Innern
eines Isolierrohres 3 gegenüber, das selbst aus einem unter Einwirkung des Lichtbogens
große Mengen von Löschgas hervorbringenden Stoff, wie Hartfiber, bestehen kann.
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Das Rohr 3 kann, wie bei diesen beiden Ausführungsbeispielen dargestellt,
aus dicht konzentrisch ineinanderliegenden Teilen .1, 5 zusammengesetzt sein. Dadurch
läßt sich bei gegebenem äußeren Durchmesser der Anordnung die mechanische Festigkeit,
insbesondere die Widerstandsfähigkeit gegen Bersten, beträchtlich verbessern. Man
kann auch mitbes s innersten Teil des onderein Vorteil den Rohres allein
aus Fiber o..dgl. herstellen und für das oder die äußeren Rohrteile einen Werkstoff
verwenden, der in erster Linie mit Rücksicht auf hohe Festigkeit und Formbeständigkeit
gewählt wird. .
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Die Lichtbogenkammer zwischen den Elektroden i, 2 ist bei diesen Ausführungsbeispielen
nur durch .die Hohlelektrode 2 hindurch nach dem Außenraum hin entlüftet, während
die Elektrode i geschlossen ausgefiihrt ist. Beide Elektroden besitzen an ihrem
vordersten Teil Abschrägungen 6, so daß ein scharfer Rand 7 gebildet wird, durch
den das Ansprechen bei einem niedrigen Spannungswert begünstigt wird. Die geschlossene
Elektrode i enthält eine tiefe zentrische Bohrung 8, auf deren Boden der Lichtbogenfußpunkt
sogleich nach der Zündung getrieben wird, während :der andere Lichtbogenfußpunkt
auf der Innenwandung der Elektrode 2 in Richtung nach außen wandert.
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Durch eine solche Ausbildung läßt sich die Schwierigkeit beseitigen,
die sich daraus ergibt, daß eine stumpfe Elektrodenform zwar starken nachfolgenden
Betriebsströmen gut stand hält, aber eine hohe Ansprechspannung ergibt, während
scharfkantige Abschrägungeü allein ohne eine tiefe zentrische Höhlung an der geschlossenen
Elektrode zwar die Ansprechspannung herabsetzen, dafür aber infolge starken Abbrandes
sich stärker abnutzen.
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Zwischen den Elektroden sind hintereinander mehrere, gegebenenfalls
in sich längs unterteilte, d,, h. aus mehreren Platten zusammengesetzte Isolierkörper
9, io, i i angeordnet, die mit parallelen Entladungsbahnen in Form von Schlitzen
12 0. dgl., durch die der Entladungslichtbogen stark eingeengt wird, versehen sind,
so daß auch kleine Stromstärken unschwer gelöscht «-erden können. Zum Beispiel ist
ein einziger, gegebenenfalls längs unterteilter derartiger Isolierkörper vorgesehen,
der so lang bemessen ist, daß er den Lichtbogen des nachfolgenden Betriebsstroms
normaler Frequenz bei norinaler Betriebsspannung zu unterbrechen vermag. Bei einem
solchen Aufbau besteht aber in höherem Maße :die Gefahr, daß die Anordnung bei hohen
Wanderwellenströmen explodiert; auch gehen dann die einzelnen Platten des Isolierkörpers
schon bei erheblich niedrigeren Stoßströmen zu Bruche, als wenn mehrere verhältnismäßig
kurze derartige Isolierkörper hintereinander angeordnet sind. Durch die Anordnung
mehrerer Isolierkörper hintereinander entsprechend der vorliegenden Erfindung wird
bei großen zu löschenden Strömen die Druckbeanspruchung der einzelnen Isolierteile
erheblich herabgesetzt, da die im mittleren Teil einer Entladungsbahn vom Lichtbogen
erzeugten Gasteilchen nur einen verhältnismäßig kurzen Weg zurückzulegen :brauchen,
um aus dein Entladungskanal ins Freie zu gelangen; trotzdem wird dadurch, daß mehrere
Isolierkörper vorhanden sind, die erforderliche Gesamtlänge der Entladungsstrecke
eingehalten.
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Zweckmäßig werden die einzelnen Isolierkörper durch Abstandringe
13 auseinandergehalten, die aus Isolierstoff bestehen können. Dadurch werden
Kammern 14 zwischen den Isolierkörpern gebildet, nach denen hin sich der im Innern
der Entladungsbahnen vom Lichtbogen selbst und durch die von ihm erzeugte Gasentwicklung
hervorgebrachte Druck
entlasten' kann. Auch die Höhlung 8 in der
geschlossenen Elektrode i wirkt gleichzeitig als ein solcher Entlastungs- bzw. Gasspeicherraum.
Da die Entladung im allgemeinen nicht durch sämtliche Schlitze eines jeden Isolierkörpers
hindurch gleichzeitig vor sich geht, werden die Kammern nach dem Außenraum hin durch
die vom Lichtbogen freien Schlitze hindurch entlastet.
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Sowohl die Anordnung mehrerer Isolierkörper mit parallelen Entladungsbahnen
wie auch die zwischen ihnen vorgesehenen, verhältnismäßig großen Entlastungs- bzw.
Gasspeicherräume tragen dazu bei, die Einrichtung zur Bewältigung besonders hoher
Ströme zu befähigen.
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Die Ansprechspannung läßt sich dadurch noch weiter herabsetzen, daß
zwischen den einzelnen Isolierkörpern 9, io, ii Zwischenelektroden 15, die den Spannungsgradienten
erhöhen und somit die Ansprechspannung erniedrigen, vorgesehen werden. Zweckmäßig
erhalten diese Zwischenelektroden ringförmige Gestalt und werden, wie in Abb. 2
,dargestellt, als Körper mit konischen Abschrägungen 16 ausgebildet. Der Wert der
Ansprechspannung ist dann praktisch derselbe, wie wenn die Verlängerung des Entladungsweges,
die durch die Abstandstücke verursacht wird, nicht vorhanden wäre.
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Die durch die A:bschrägungen 6, 16 der Haupt- und Hilfselektroden
frei. gewordenen Räume werden zweckmäßig durch Isolierringe 17 ausgefüllt.
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Für die Elektroden wird mit besonderem Vorteil Stahl oder ein ähnlicher
Stoff von guter Leitfähigkeit verwendet, der den Lichtbogenfußpunkt, ohne erheblichen
Abbrand zu erleiden, führen kann und gute Lichtbogenlöschfähigkeit besitzt.
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Nach der weiteren Erfindung läßt sich die Ansprechspannung auch noch
dadurch verkleinern, daß das die Zündelektroden und die Entladungsstreckeenthaltende
Isolierrohr von seiner Innemvandung getrennte, sich in Längsrichtung erstreckende
Widerstands- bzw. leitende Schichten oder Streifen enthält, durch die der Verlauf
des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden beeinflußt wird, Dies sei an den
in den Abb. 3 und q. dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hier ist
im Schnitt und in Seitenansicht eine Ausführungsmöglichkeit des Erfindungsgegenstandes
dargestellt, die insbesondere zum Schutz von Freileitungen geeignet ist. Das die
Elektroden und die Entladungsstrecke enthaltende Isolierrohr bildet hierbei selbst
den die Entladungsbahn einengenden, unter Einwirkung des Lichtbogens gasabgebenden
Isolierkörper. Es ist also hier nur ein einziger enger Entladungskanal vorhanden.
Natürlich könnte der Entladungskanal, der :durch den lichten Querschnitt des Rohres
gebildet wird, auch durch einen entsprechend geformten Einsatz aus Isolierstoff
unterteilt sein.
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Die Funkenstreckenanordnung 2o mit begrenztem Entladungsquerschnitt
ist mittels einer Schelle2i an einem ortsfesten Träger 22 befestigt. Sie ist in
Reihe mit einer Funkenstrecke mit unbegrenztem Entladungsquerschnitt (Luftfunkenstrecke)
23 angeordnet, deren untere, bogenförmig gestaltete Elektrode 24. von der feststehenden
Funkenstreckenunordnung 2o getragen wird und deren obere Elektrode durch den zu
schützenden Leiter 25 selbst gebildet wird. Dieser ist mittels einer Isolierkette
26 an einer ortsfesten Tragschiene 27 aufgehängt. Die bogenförmige Gestaltung der
Elektrode 24 ermöglicht es hierbei, ,daß beim Hinundherschwingen des Leiters 25
sich der Überschlagweg 23 praktisch nicht ändert.
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Die Funkenstreckenanordnung 2o mit begrenztem Entladungsquerschnitt
besteht im wesentlichen aus mehreren konzentrisch eng ineinanderliegenden Isolierrohren
28, 29, 30, von denen wenigstens der innerste Teil aus einem unter Einwirkung
des Lichtbogens große Mengen von lichtbogenlöschendem Gas abgebenden Stoff, wie
Fiber, Borsäure oder Acetylcellulose, besteht oder mit einem solchen Stoff ausgekleidet
ist. Der Erfindung entsprechend ist eines oder mehrere der verschiedenen ineinanderliegenden
Rohre, aus denen die Anordnung zwecks Sicherstellung hoher Festigkeit und Formbeständigkeit
zusammengefügt ist, auf seiner Außenfläche mit einem leitenden oder halbleitenden
Überzug, Aufstrich oder, wenn das Rohr aus keramischem Stoff besteht, einer entsprechenden
Glasur o. d g1. versehen. Sämtliche Rohre 28, 29, 3o können auf solche Weise überzogen
sein. Beim Ausführungsbeispiel besitzt das mittlere Rohr 29 einen solchen Überzug
3i. An Stelle eines vollständigen Überzugs kann auch eine Mehrzahl von Streifen
vorgesehen werden.
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Der halbleitende Überzug ist vorzugsweise mit wenigstens Ader einen
der beiden Funkenstreckenelektroden leitend verbunden und bildet z. B. zweckmäßig
eine elektrisch leitende Verbindung von sehr hohem Widerstand zwischen den beiden
Polen der Anordnung bzw. den Metallteilen 32, 33.
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Der Flansch 32 steht mit der weit in das Innere des Rohrs 2o hineinreichenden
Hohlelektrode 3q. in Verbindung und ist an dem die Anordnung tragenden Rohr 35 befestigt.
Der Metallteil 33 ist mit der weit in das entgegengesetzte Ende :des Rohrs 2o hineinragenden
Gegenelektrode 36 verbunden.
Das Innere des. Entladungsraumes steht
durch die Hohlelektroden 34, 36 und durch die hohlen Teile 33, 35 hindurch mit der
Außenluft in Verbindung: Ist der Überzug 3 1 auf .der ganzen Länge des Rohres
29 von gleichem Widerstand, so hat das Potential der Stelle 37 auf dem Widerstandsüberzug,
die dem innersten Ende der geerdeten Elektrode 34 am nächsten liegt, einen Wert
gegenüber Erde, der zwischen demjenigen der beiden Enden der Anordnung 2o liegt,
und zwar im Verhältnis des Abstandes 38 des geerdeten Endes der Anordnung vorn Punkte
37 und des Abstandes 39 zwischen den beiden Enden . der halbleitenden Schicht 3
i. Dementsprechend hat der Punkt 4o auf der halbleitenden Schicht, der dem inneren
Ende der Elektrode 36 gegenüberliegt, ein mittleres Potential, das bestimmt ist
durch das Verhältnis des Abstandes 41 zwischen diesem Punkt und dem geerdeten Ende
des Rohres und der Gesamtlänge 39 der halbleitenden Schicht 3i.
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Tritt am oberen Ende der Funkenstreckenanordnung 20 über die Luftfunkenstrecke
23 ein Überspannungsstoß auf, so erscheint eine bestimmte Teilspannung, die z. B.
30°1o der Stoßspannung beträgt, zwischen den Enden der Elektroden 34, 36. Diese
Spannung wirkt sich im Isoliermaterial als elektrostatische Beanspruchung zwischen
den Elektrodenenden und den gegenüberliegenden Stellen 37, 4o auf der halbleitenden
Schicht 31 aus. Dies ergibt eine äußerst starke Konzentration des elektrischen Feldes
an den Elektrodenenden und führt durch Gleitfunkenbildung dazu, daß die Entladung
schon bei einem verhältnismäßig niedrigen Ansprechwert eingeleitet wird.
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Ein weiterer Vorteil der halbleitenden Schicht besteht darin, daß
die Anordnung in ihrer Arbeitsweise weitgehend unabhängig von der Witterung, insbesondere
von den Einflüssen der Luftfeuchtigkeit, wird, es spielt dabei keine Rolle, ob die
halbleitende Schicht freiliegt und allen Witterungseinflüssen ausgesetzt ist oder
ob sie mit einer weiteren besonderen Schutzhülle 30 umgeben ist.
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Der Widerstand der Schicht 31 kann so hoch gewählt werden,
daß auch :dann, wenn eine vorgeschaltete Luftfunkenstrecke nicht vorgesehen ist,
kaum Leistungsverluste oder merkliche Stromerwärmung wahrzunehmen sind. Zur Beeinflussung
des elektrostatischen Feldes genügt eine sehr geringe Leitfähigkeit der Schicht.
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Eine weitere Möglichkeit zur Herabsetzung der Ansprechspannung besteht
bei Überspannungsschutzeinrichtungen nach der Erfindung darin, daß mehrere Funkenstreckenanordnungen
mit massiven bzw. großflächi gen metallischen Zwischengliedern hintereinander angeordnet
werden.
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Ein Beispiel hierfür zeigen die Abb. 5 und 6.
Hier sind zwei
Funk:enstreckenanordnungen .Io, .4i von ähnlichem Aufbau wie die Funkenstreckenanordnung
2o der Abb. 3, 4, jedoch in waagerechter Lage angeordnet, vorgesehen.
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Beide sind in :der Mitte durch ein metallenes Kupplungsglied 42 miteinander
verbunden, das hohl ausgebildet und mit Entlüftun.gs.öffnungen 43 versehen ist und
das zugleich die elektrische Verbindung zwischen den Entladungselektroden 44, 45
der Funkenstreckenanordnungen 40, 41 herstellt. Die Gegenelektroden 46, 47 an den
entgegengesetzten Enden der Funkenstreckenanordnun.gen stehen mit Metallrohren 48,
49 in Verbindung, die auch zur Entlüftung der Entladungsräume dienen.
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Mit dem Rohr 48 ist eine bogenförmige Elektrode 59 einer vorgeschalteten
Luftfunkenstrecke verbunden, deren Gegenelektrode, ähnlich wie bei der Anordnung
gemäß Abb. 3 und .4, von :dem zu schützenden Leiter 5o selbst gebildet wird, der
mittels einer Isolatorenkette 51 an einer Schiene 52 aufgehängt ist.
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Das Rohr 49 ist :durch eine Klemmverbindung 53 an einem metallischen
Tragrohr 5.t befestigt und mit diesem leitend verbunden. Das Rohr 54 ist, wie bei
55 angedeutet, geerdet und .an einem Traggerüst 56 befestigt. Das Tragrohr 54 hat
eine isolierende Fortsetzung 57, die zweckmäßig aus gut abgelagertem und entsprechend
vorbehandeltem Hickoryholz besteht und an der mit Hilfe von Zwingen 5 8 die
Funkenstreckenanordnung aufgehängt ist.
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Tritt am Leiter 50 eine Stoßspannungswelle auf, so schlägt
die Luftfunkenstrecke der Schutzeinrichtung über, und die volle Stoßspannung liegt
plötzlich an der Elektrode 46 der Funkenstreckenanordnung 40. Das mittlere Verbindungsglied
42 besitzt zusammen mit den unmittelbar mit ihm verbundenen Metallteilen gegenüber
den umgebenden 'Metallteilen des Traggerüstets 56 und anderen geerdeten Teilen eine
beträchtliche Kapazität, deren Wert sehr viel größer ist als der Wert der Kapazität
zwischen den Elektroden 4d und 46 der Funkenstreckenanordnung 40; so daß sich unmittelbar
vor dein Ankommen der Stoßspannungswelle der mittlere Verbindungsteil 42 auf einem
Potential befindet; das dem Erdpotential im wesentlichen gleich ist. Sobald die
Stoßspannung an die Elektrode 46 gelegt wird, spricht daher die Funkenstreckenanordnung
4o sogleich an, und es entsteht eine lichtbogenförmige Entladung zwischen den Elektroden
46 und .L4. Infolge dieses Entladungsstrompfades
steigt das Potential
des mittleren Verbindungsgliedes 42 plötzlich hoch an, so daß sogleich auch ein
Überschlag in -der zweiten Funkenstreckenanordnung 41 zwischen den Elektroden 45
und 47 erfolgt, so daß die Überspannung nach Erde abgeleitet wird.
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Ebenso wie bei den übrigen beschriebenen Funkenstreckenanordnungen
ist es auch hier erforderlich, :daß der Überschlagweg zwischen den Elektroden im
Innern des Isolierrohres um so viel kleiner ist als der Überschlagweg zwischen den
außen am Rohr befindlichen Metallteilen verschiedenen Potentials, daß der Überschlag
unter allen Umständen nur im Innern der Anordnung stattfindet. Die Unterbrechung
des nachfolgenden Betriebsstromes erfolgt im wesentlichen ebenso wie bei den übrigen
Ausführungsbeispielen.