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überspannungsableiter der Ventiltype Für diese Anmeldung wird die
Priorität aus der entsprechenden amerikanischen Anmeldung Ser. Nr. 2o6 3q.2, Case
19709 vom 6.5. 1938 .beansprucht.
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Es sind bereits Überspannungsableiter bekannt, bei denen die Entladung
in Form eines fein aufgelösten Lichtbogens stattfindet. Diese Entladungsform wird
dadurch erzwungen, daß man -die Entladung durch feine Poren eines Isolierkörpers
hindurch stattfinden läßt. Außerdem sind :auch Ableiter mit scheibenförmigen Plattenstapeln
aus leitendem Material, z. B. Kohle, bekannt, die so bemessen sind, d'aß die Entladung
zwischen ihnen in Form einer Glimmentladung auftritt. Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist ein überspannungsableiter der Ventiltype, dessen spannungsabhängiger
Teil durch Widerstandselemente gebildet wird mit einer Mehrzahl in Reihe geschalteter
Entladungsstrecken, an .denen im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen eine lichtbogenförmige
Entladung auftritt. Das Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß d:e Widerstandselemente
im wesentlichen aus einem Stoff von derartigem spezifischem Widerstand bestehen
und in solchen Abständen Übereinander angeordnet sind, daß beim Ansprechen des .
Ableiters zwischen .den Widerstandselementen infolge des Querwiderstandes der
Widerstandselemente
eine Entladung in Form mehrerer parallel brennender Lichtbögen stattfindet, so daß
unerwünschte Stromkonzentrationen vermieden sind. Der Ableiter hat außerdem den
.Vorzug, ein sehr niedriges Verhältnis zwischen Ansprechspannun.g und Löschspannung
zu besitzen. Die Ansprechspannung .der einzelnen in Reihe geschalteten Lichtbogenentladungspfade,
welche in Reihe miteinander zwischen die zu schützende Leitung bzw. das zu schützende
Gerät und Erde eingeschaltet sind, ist sehr niedrig. Das Verhältnis zwischen Begrenzungsspannung
und Löschspannung ist sehr klein, und auch die Spannungshöhe, die mit dein Anwachsen
des Stromanstiegs eintreten kann, ist sehr gering. Ferner ist der Ableiter zur Führung
außerordentlich hoher Ströme befähigt, ohne dabei Schaden zu nehmen. Er stellt somit
eine wesentliche Verbesserung der bisher bekannten Überspannungsableiter dar.
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Ein Vorschlag zur weiteren Ausbildung des Gegenstandes der Erfindung
beruht auf der Erkenntnis der Tatsache, daß eine dünne Lage von isolierendem, halbleitendem
oder feinunterteiltem leitendem Stoff, der sich zwischen Lagen aus leitendem Werli:stoff
befindet, eine besonders niedrige Ansprechspannung besitzt, die nur sehr wenig größer
ist als die kleinste Spannung. die zur Aufrechterhaltung der Entladung erforderlich
ist. Beispielsweise brauchen solche Schichten zur Aufrechterhaltung einer Entladung
von hohem Stoßstrom 15 bis 2o Volt, sofern die Schichten genügend dünn sind,
und die Ansprechspannung liegt zwischen 25 .bis .4.o Volt.
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An Hand der Figuren sei die Erfindung näher erläutert.
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Fig. i zeigt eine Scheibe, wie sie als Element eines Ableiters nach
der Erfindung angewandt werden kann.
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Fig.2 zeigt die schematische Darstellung eines solchen Ableiters.
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Fig. 3 zergt eine andere Ausführungsform eines Ableiters nach der
Erfindung, Fig.4 die dazugehörigen Stromspannungskennlinien.
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Fig. 5 zeigt eine Abl.eiterscheibe im Schnitt, Fig.6 die schematische
Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
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In Fig. 7 ist ein Verfahren zur Herstellung von Überspannungsableitern
-schematisch dargestellt.
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In Fig. ß ist eine besondere Ausführungsform der Ableiterscheiben
angegeben.
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Fig. c) zeigt eine weitere Ausführungsform. Fig. io in vergrößertem
Maßstab einige übereinander angeordnete Ableiterelemente und Fig. ii und 12 noch
eine weitere Ausführtiiigsforni. Ein Ableiter nach Fig. i und 2 enthält eine Anzahl
.dünner Lagen aus Siliciumcarbid, gegebenenfalls mit Zusätzen, zwischen Metallflächen
und besteht vorzugsweise aus einer Anzahl dünner Scheiben i aus Messing oder anderem
geeigneten Metall mit einem dünnen Überzug 2 von Siliciumcarbid. Dieser Überzug
soll sehr dünn sein; eine Schicht von -30o Maschen-Siliciumcarbid mit einer Dicke
von etwa der Höhe eines Korns des Siliciumcarbids ist gut geeignet. Die Stärke der
Metallscheiben liegt vorzugsweise in der Größenordnung von etwa o,ia5 inm. Der Ableiter
wird -durch eine Anzahl solcher Scheiben gebildet, die in einem Stapel entsprechend
Fig. 2 übereinander geschichtet und zwischen Metallelektroden 3 gelegt sind. Siliciumcarbidschichten
dieser Art haben eine Stoßansprechspannung von etwa 35 Volt und eine Löschspannung
zwischen io und 15 Volt. Durch Anordnung einer entsprechenden Anzahl Scheiben übereinander
lassen sich Überspannungsableiter für alle gewünschten Spannungen herstellen.
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Ein solcher Ableiter vermag sehr hohe Wanderwellenströme zu führen
und besitzt ein niedriges Verhältnis zwischen Ansprech-und Trennspannung.
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Eine für viele Fälle noch günstigere Ausführungsform des Ableiters
nach der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Dieser Ableiter besteht aus einem Stapel
dünner Kohlescheiben 4., die zwischen Elektroden ; aus Messing o. dgl. angeordnet
sind. Der Ableiter befindet sich in einem Porzellangehäuse 6 und ist mit einer Reihenfunkenstrecke
S versehen.
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Dieser Ableiter besitzt einen ziemlich hohen Stromübergangswiderstand
zwischen den Scheiben und stellt daher eine Reihenschaltung kurzer Lichtbogenentladungspfade
dar, in ähnlicher Weise wie der Ableiter nach Fig. -2. Schädliche Stromkonzentrationen
bzw. ein Anschmelzen von Teilen der Ableiterelemente und ein Hervorwachsen von Vorsprüngen
infolge hiervon kann bei dieser Ausführungsform nicht auftreten, da sich die E:ntladungsstromdich-te
weitgehend gleichmäßig über die Fläche der Scheiben verteilt.
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Fig..:l zeigt die Strornspannungscharakteristik eines Ableiters mit
ioo Kohlescheiben von etwa .47,6 mm und o,4. min Dicke, wobei die Elektrode am oberen
Ende 275.g wiegt. Die Kurve a wurde beim ersten Versuch aufgenommen. die Kurve b
bevn dritten und die Kurve c bean io.ff. So ergibt sich an Hand dieser Kurven, daß
der Übergangswiderstand im Betrieb nach wiederholtem Ansprechen anwächst und d.aß
sich schließlich eine Charakteristik von äußerst günstiger Form herausbiIdet. Das
Anwachsen des Übergangswiderstandes ist erklärbar durch feinverteilte
IZohlepulverablagerungen,
die durch das Verdampfen von Kohle .durch den Lichtbogen und Wiederkondensieren
derselben entstehen.
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Bei dem Ableiter nach Fig. 3 können Scheiben von quadratischen Kanten
verwendet werden. Ein Überspringen des Lichtbogens an den Kanten läßt sich dadurch
verhindern, daß man diese mit einem isolierenden Überzug r z, mit Lack, Kitt, Zement,
einer Mischung von keramischem Pulver und Wasserglas versieht. Ein derartiger Überzug
hat den Vorzug, die Scheiben in ihrer gegenseitigen Lage zu stabilisieren. Die Gefahr
von Überschlägen läßt sich weiterhin dadurch vermindern, daß man den Rändern der
Scheiben eine verjüngte Form gibt, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, so,daß die Abstände
der Scheiben an diesen Stellen vergrößert werden.
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Wie schon bemerkt, wird der Übergangswiderstand der Ableiter bei wiederholtem
Ansprechen .größer. Dies ist oft erwünscht, um die Verlustströme möglichst klein
zu halten ,und den Einfluß des Druckes zwischen den Ableiterscheiben auf den Übergangswiderstand
möglichst gering zu machen. Die Ansprechspannung wird dadurch etwas erhöht; sie
kann aber doch klein genug gehalten werden, um günstige Spannungsverhältnisse zu
ergeben. Eine Erhöhung des Übergangswiderstandes läßt sich durch einen Überzug mit
Kohlepulver auf je einer Seite der Scheiben erzielen, beispielsweise so, daß man
Kohlepulver mit Flüssigkeit mischt, die 1Eschung auf die Scheiben aufträgt und dann
die Flüssigkeit verdampfen läßt. Solche Überzüge lassen sich auch durch Erhitzen
der Scheiben oder -durch Bestäuben mit Kohlepulver herstellen. Man kann auch Mischungen
aus Kohle mit einer organischen Flüssigkeit, wie Schellack oder Firnis, zu diesem
Zweck verwenden und den Widerstand dadurch erzielen..daß man die Scheibe bei einer
Temperatur brennt, die hoch genug ist, um das organische Material verkohlen zu lassen.
je höher man die Brenntemperatur wählt, um so niedriger wird -die Beständigkeit
des organischen Stoffes. Isolierende oder halbleitende Überzüge aus anderen Stoffen
können gleichfalls zum Steigern oder Berichtigen .des Übergangswiderstandes zwischen
den Scheiben benutzt werden. Z. B. kann man ein keramisches Pulver, wie Siliciumcarb,id,
auf die Scheiben auftragen, und zwar entweder trocken oder in flüssiger Lösung.
In solcher Form kann man auch Isolierstoffe, wie Silicium, Flint und Ouarz benutzen.
Weiter kann man Wasserglas, Schellack, organische Lacke .und Firnis anwenden. Derartige
organische Überzüge haben den Vorzug, daß ihr Widerstand durch Erhitzen der Scheiben
zusammen mit dem Überzug sich leicht beherrschen läßt. Auch kann man die Kohlescheiben
mechanisch voneinander trennen, um auf diese Weise den Verluststrom zwischen den
Scheiben zu verringern. Dies geschieht, indem man dünne Papierzwischenlagen zwischen
--die Scheiben legt. Ihre Stärke kann etwa o,ooS bis o,ör2 mm betragen.
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Fig.6.zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der
Metallscheiben 14 ,abwechselnd mit Kohleschei.ben 15 zwischen Messingelektroden
16 vorgesehen sind. Der Ableiter arbeitet grundsätzlich ebenso wie der Kohlesch
ei`enableiter, und es können ähnliche Isolierschichten zwischen den Scheiben wie
vorher erwähnt angewendet werden. Diese Anordnung hat den besonderen Vorzug, daß
sich infolge der gut wärmeleitenden Metallscheiben die beim Stromdurchgang erzeugte
Hitz,- sehr rasch verteilt, so daß derartige Ableiter für besonders hohe Ströme
geeignet sind. Auch hier verteilt sich die Lichtbogendichte über die ganze Querschnittsfläche.
Die Kohlescheiben können auf sehr verschiedene Art und Weise hergestellt werden.
Beispielsweise kann man Graphitpulver pressen, gegebenenfalls mit Zusätzen anderer
Stoffe, z. B. irgendwelcher thermoplastischer Pulver, wie Phenolaldehydharz; weiterhin
sonstige preßbare Pulver, wie Lehm, Borsäure oder Talkum; fiberartige Stoffe, wie
Asbest; Metallpulver, wie Kupfer, Zink, Eisen oder Nickel. Mischungen, die auf diese
Weise zusammengesetzt sind, werden dann zu Scheiben von den gewünschten Abmessungen
gepreßt und danach gegebenenfalls mit einem Isolierüberzug versehen. Die Scheiben
werden zu einem Stapel zusammengesetzt und bei ,geeigneter Temperatur gebrannt,
um flüchtige Bestandteile zu entfernen und .die anwesenden organischen Stoffe zu
verkohlen. Anstatt die Scheiben einzeln zu pressen, kafin man sie auch ausstanzen.
Ein weiteres Herstell,ungsverfahr en ist schematisch in Fig. 7 veranschaulicht.
Hiernach wird die Graphitmischung 17 als dünner Streifen 18 gespritzt, der zwischen
beheizten Rollen r9 hinabläuft und dann zwischen Düsen 2o hindurchläuft und einen
Isolierüberzug aufgespritzt erhält. Hebelarme 21, die durch irgendeinen entsprechenden
Mechanismus bewegt werden, falten den Streifen in Lagen 22, und wenn eine genügende
Anzahl von Lagen hergestellt sind, kann .der Streifen abgeschnitten und .die gefalteten
Teile gepreßt und gebrannt werden. Die Kanten werden danach abgeschnitten, so daß
der Grundriß der Scheiben kreisförmig wird. Die isolierenden Zwischenschichten sind
dann völlig gleichmäßig und .gewährleisten eine hohe Gleichmäßigkeit des Nnsprechens.
Papier- oder Gewebelagen können natürlich auch noch dazwischengefüät werden.
Eine
weitere Ausführungsform zeigt Fig. S. Hier besteht das einzelne Ableiterelement
.aus einer dünnen 1@Ietallsclieibe 23 mit einen hohleüberzug 2.4 auf beiden Seiten.
Die Kohleschicht wird auf die Metallscheibe durch Streichen o. dgl. aufgebracht.
Die Metallscheibe kann aus Kupfer, Eisen oder Nickel bestehen und kann äußerst dünn
sein, z. B. o,15 mm, während die beiden Kohleüberzüge etwa o.o5 mm stark sind. Die
dünnsten, nur aus Kohle bestehenden Scheiben, die praktisch verwendbar sind, sind
etwa o,45 min stark, so daß sich die Höhe des Ableiters bei Anwendung der mit Kohleschichten
überzogenen Metallscheiben beträchtlich verringert.
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Bei der A.usführungsforin nach Fig. 9 besteht der Ableiter aus einer
großen Zahl kleiner, dünner, unregelmäßig geformter flacher Kohlestücke 25 mit etwa
parallelen Oberflächen. Diese Stücke sind alle gleichmäßig stark und in einer Vielzahl
von Lagen zwischen -Metallelektroden 26 angeordnet und mit einem äußeren Cberzug
27 aus Isolierstoff versehen. Sie können auf ihren dünnen Oberflächen finit einem
Isolierüberzug versehen sein. Die Kohlestücke sind in einem geeigneten Behälter
lose aufeinandergelegt: sie können auch unter Verwendung eines geeigneten Bindemittels
zu einem zylindrischen -,lock gepreßt werden.
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Ein solches- Ableiter kann eine wesentlicl; geringere Bauhöhe als
die bisher beschriebenen erhalten. Eine vergrößerte Ansicht der Kohlestücke 25 ist
in Fig. io gezeigt. Daraus ergibt sich. daß die @Virl:ung dieser Anordnung den Überschlagspfad
zwischen den angrenzenden Scheiben 26 erheblich vergrößert. ohne die Gesamthöhe
des Ableiters gleichfalls zu vergrößern.
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Eine weitere Ausführungsform zeigen die Fig. ii und Ma. Der hier gezeigte
Ableiter besitzt eine Zentralelektrode 27', die aus Kohle bestehen kann und von
einer Kohlespirale 28 finit vielen Windungen umgeben ist und eine äußere zylindrische
Gegenelektrode 29 -aus Kohle oder Metall besitzt. Zur Verhinderung äußerer Überschläge
sind flache Isolierschichten 30 vorgesehen.
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Versuche haben die Vorteile der Kohlescheibenableiter nach der Erfindung
bestätigt. Es wurden Verhältnisse zwischen Begrenzungsspannung und Löschspannung
von 1,3 bis 2,o erzielt, und es wurde gefunden, daß ein solcher Ableiter viel höhere
Wanderwellenströnie ohne Schaden zu nehmen abführen kann als irgendeiner der bis
jetzt gebräuchlichen Ableiter.
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Beispielsweise wurde ein Ableiter mit 2o Kohlescheiben, die unter
leichtem Druck aufe inandergelegt waren, zweimal mit 65 ooo Anip. Stoßstrom belastet
und viermal finit i io ooo Amp. Die Scheiben wurden durch diesen Versuch nicht beeinträchtigt,
und die Temperaturerhöhung betrug lediglich etwa 5o bis So' C. Weitere Versuche
haben gezeigt, daß der Ableiter. wenn überhaupt, nur eine sehr geringe Spannungszunahme
bei stark erhöhtem Stromanstieg zuließ. Diese Eigenschaften, insbesondere die Fähigkeit,
hohe Ströme zu führen, ohne dabei beschädigt zu «-erden, sind. von .großer Bedeutung
für viele Anwendungsfälle, insbesondere auch da, wo für die Dauer einer Halbwelle
nachfolgende Betriebsströme von großer Höhe durch den Ableiter fließen. Die Versuche
wurden bei 6o Periodenstrom und 3ooo Amp. vorgenommen, und der Ableiter erlitt dabei
keinen Schaden.