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Funkenstreckenanordnung, insbesondere für Uberspannungsableiter Es
sind bereits Funkenstreckenanordnungen bekennt, bei denen die beiden Elektroden
jeweils einer Einzelfunkenstrecke durch isolierende Abstandringe distanziert sind
und wenigstens die eine der beiden Elektroden von ihrer Auflagestelle aus napfartig
nach innen gezogen ist, so daß der Abstand von der anderen Elektrodenscheibe in
dem Hauptentladungsgebiet verhältnismäßig gering ist, während im Vergleich hierzu
die Entfernung der beiden Elektroden voneinander im Bereich der Auflagestellen verhältnismäßig
groß ist. Auf derartige Funkenstreckenanordnungen, die insbesondere als Löschfunkenstrecken
für -IJberspannungsableiter, aber auch als sonstige Schutzfunkenstrecken Verwendung
finden können, bezieht sich die Erfindung. Sie geht aus -von der Aufgabe, eine niedrige
und dauernd gleichbleibende Stoßansprechspannung und einen niedrigen Stoßfaktor,
Verhältnis von Stoßansprechspannung zu Ansprechspannung bei Normalfrequenz, zu erhalten
sowie für eine möglichst geringe' Ansprechverzögerung zu sorgen.
Auf
Grund der Vorstellung, daß ein Körper hoher Dielektrizitätskonstante, welcher sich
in einer Umgebung mit niedriger Dielektrizitätskonstante, z. B. Luft, befindet,
ein dort vorhandenes elektrisches Feld verzerrt und die Felddichte in dem Körper
niedriger Dielektrizitätskonstante erhöht, ist bereits ein Vorschlag bekanntgeworden,
der dahin zielt, die Empfindlichkeit von Funkenstrecken zu erhöhen, d. h. bei gegebener
Schlagweite die Überschlagsspannung herunterzusetzen oder bei gegebener Überschlagsspannung
die Schlagweite zu erhöhen. Dieser Vorschlag geht dahin, daß Isolierkörper hoher
Dielektrizitätskonstante unmittelbar unterhalb der Überschlagsstelle der Elektroden
derart angebracht sind, daß eine leitende Verbindung der Elektroden durch Kriechströme
über die Isolierkörper mittels Luftstrecken verhindert ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei einer Funkenstreckenanordnung
der eingangs genannten Art die Aufgabe, außer einer niedrigen und gleichbleibenden
Stoßansprechspannung auch einen niedrigen Stoßfaktor und eine möglichst geringe
Ansprechverzögerung zu erhalten, gelöst durch eine solche Gestaltung und Anordnung
der Elektroden und Isolierwände, daß an Verbindungs- bzw. Berührungsstellen zwischen
dem Metall und dem Isoliermaterial, das zumindest stellenweise in der Nachbarschaft
des Metalls aus Rutil oder einem mit Rutil zusammengesetzten keramischen Material
besteht, ins= besondere infolge örtlicher Feldverdichtung Vorentladungen entstehen,
die durch Ausstrahlungen o. dgl. eine Beeinflussung des Hajuptentladungsgebietes
zwischen den Elektroden bewirken können.
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Das Wesen der Erfindung besteht also darin, daß man bei einer - Funkenstreckenanordnung
der eingangs genannten Art an Verbindungsoder Berührungsstellen zwischen dem Metall
und dem Isoliermaterial Vorentladungen von irgendwelcher Entladungsform, insbesondere
Sprühentladungen, auftreten läßt und daß die Anordnung so getroffen ist; daß diese
Vorentladungen von dem Entladungsgebiet zwischen den Hauptelektroden aus sichtbar
sind bzw. daß sie etwa durch Ausstrahlungen o. dgl. eine Beeinflussung dieses Hauptentladungsgebietes
bewirken können, ohne daß irgendwelche Vorbauten oder Barrieren sonstiger Art hindernd
im Wege stehen. Die Erklärung für diesen Effekt dürfte darin zu suchen sein, daß
die Vorentladungen infolge von Verschiebungsströmen. von der einen Elektrode durch
den Isolator oder über den Isolator hinweg hervorgerufen werden. Die Entladung erfolgt
in einem gasförmigen Medium und erzeugt dabei das charakteristische Spektrum- des
betreffenden Gases. Das charakteristisce Spektrum von Luft zerfällt in drei Gebiete;
das sichtbare, ultraviolette und das Röntgenstrahlengebiet. Die obenerwähnten Vorentladungen
gehören Hauptsächlich zu der Art der weichen Röntgenstrahlen in Luft. Diese sind
besonders wirksam hinsichtlich der Erniedrigung des Stoßfaktors einer Funkenstrecke.
Ihre Wellenlänge liegt zwischen 12 und iooo° A (i° A [°Angström] = io-8 cm). Die
Reichweite solcher Strahlen beträgt in Luft nur etwa 6 cm. Bei ihrer Absorption
auf dem Wege durch die Luft werden Ionen und Elektronen gebildet, die das verzögerungsfreie
Ansprechen der Funkenstrecke stark begünstigen. Dabei wirken unter Umständen noch
weitere bekannte Effeckte mit, wie z. B. lichtelektrische Kathodenstrahlung, deren
Wellenlänge oberhalb igoo° A liegt.
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Die Intensität dieser Strahlungen hängt ab von der Frequenz der an
der Funkenstrecke anliegenden Spannung und der Dielektrizitätskonstante des Isolators
bei einer gegebenen Form des Isolators zwischen den Elektroden. Die Entladungen,
welche diese Strahlungen hervorrufen, sind bei Dunkelheit nicht immer sichtbar.
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Das verwendete Rutil ist ein natürliches Mineral, das hauptsächlich
aus Titandioxyd, das im allgemeinen gewisse Verunreinigungen enthält, besteht. Für
die Verwendung als elektrisches Isoliermaterial wird das Material zweckmäßig zunächst
von den Verunreinigungen frei gemacht, so daß das reine Titandioxyd zurückbleibt,
das den Grundbestandteil bildet und mit etwa ioo/o Wassergemischt wird. Die Mischung
wird unter hohem Druck in die gewünschte Form gepreßt und, wie es bei keramischen
Körpern üblich ist, gebrannt. Das Material hat dann hervorragende Isoliereigenschaften
und eine ungewöhnlich hohe Dielektrizitätskonstante, die je nach Art der Herstellung
und gegebenenfalls verwendeter Beimischungen zwischen 2o und iio liegt.
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Im folgenden sind die Erfindungsmerkmale an Hand von Ausführungsbeispielen
im einzelnen beschrieben und erläutert.
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Fig. i und 2 zeigen im Schnitt und ili Draufsicht eine Funkenstrecke
mit zwei Elektrodenscheiben i und 2, die vorzugsweise aus Messing hergestellt werden.
Sie sind durch einen Isolierring 3 in einem bestimmten Abstand voneinander gehalten.
Zur Erhaltung verhältnismäßig langer Kriechstrecken ist die obere Elektrode i von
ihrer Auflagestelle aus napfartig nach innen gezogen, so daß der Abstand von der
Elektrodenscheibe in dem Hauptentladungsgebiet d.verhältnismäßig gering ist. Zwecks
Erhaltung einer niedrigen und beständigen Stoßansprechspannung ist der
isolierende
Abstandring 3 so ausgebildet und angeordnet,- daß an bestimmten Stellen des Raumes
zwischen den Elektroden ein hoher Spannungsgradient zur Hervorbringung der obenerwähnten
Vorentladungen erzeugt wird. Zu diesem Zweck kann man ferner nach einem weiteren
Vorschlag der Erfindung mit besonderem Vorteil ein Material von einer ganz besonderen
hohen Dielektrizitätskonstante verwenden. Besonders geeignet ist hierfür Rutil oder
ein mit Rutil zusammengesetztes keramisches Material.
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Infolge der hohen Dielektrizitätskonstante des Abstandringes 3 ergibt
sich eine starke Feldverdichtung. Da dieses Feld nicht gleichmäßig verläuft, insbesondere
an den Stellen, wo Metall, Luft und festes Dielektrikum zusammenstoßen, wird die
Luft an diesen Stellen überbeansprucht und so die erwähnte Vorentladung und Strahlung
hervorgebracht, die das Ansprechen begünstigt.
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Fig. 3 zeigt eine andere besonders wirksame Ausbildung der Funkenstrecke.
Hier ist zwischen dem Abstandring 12 und der einen Elektrode ii ein ringförmiger
Überzug 13 aus Metall oder anderem leitenden Material auf dem Isolierring
12 angeordnet. Es kann auchein halbleitendes Material hierfür verwendet werden.
Die Aufbringung kann durch Spritzen erfolgen. Die Strahlung entsteht hierbei dicht
an der Kante des leitenden Überzuges.
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Fig. 4 zeigt eine etwas andere Ausbildung von ebenfalls besonders
günstiger Wirkung. Der isolierende Abstandring 17, der mit einem dünnen leitenden
Überzug 18 aus Metall oder sonstigem leitenden Stoff versehen sein kann, ist hier
an der Stelle i9, wo die Vorentladung auftreten soll, abgerundet.
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Nach der weiteren Erfindung kann man auch in eine zentrale Öffnung
der einen Elektrode i, wie Fig. 5 und 6 zeigen, einen Pfropfen io aus einem Material
von hoher Dielek= trizitätskonstante einführen, der zweckmäßig bis zur Gegenelektrode
2 reicht und an der Berührungsstelle mit dieser zweckmäßig abgerundet ist. Eine
solche Anordnung erweist sich deswegen als besonders wirksam, weil die Quelle der
Vorentladungsausstrahlungen besonders nahe an das Hauptentladungsgebiet 6 herangerückt
ist. Man kann infolgedessen bei dieser Anordnung insbesondere für das Material des
Abstandringes 3 ohne erhebliche Verminderung der erstrebten Wirkung auch einen Isolierstoff
mit weniger hoher Dielektrizitätskonstante, unter Umständen sogar gewöhnliches Porzellan,
verwenden.
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Weitere Ausführungsbeispiele zeigen die Fig.7 bis g. Bei diesen ist
eine besonders starke Feldkonzentration an den Berührungsstellen von Metall und
Porzellan dadurch erreicht, daß durch Anordnung von Vor-Sprüngen 9 bzw. Zwischenlagen
in Form von Stäbchen 8 die Auflagefläche zwischen Metall und Isoliermaterial sehr
gering gemacht ist.
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Eine weitere Verwirklichung des gleichen Grundgedankens zeigen die
Fig. io bis 12. Hier sind zwei in Reihe geschaltete Funkenstrecken vorhanden, und
zwar besitzt jede von diesen eine napfartig nach innen gezogene Elektrode io, 13,
während die Zwischenelektrode durch eine flache Platte i i gebildet wird. Diese
ist mit gegenüberliegenden Einschnitten 16 versehen, in welche federnde, H-förmige
Metallteile 15 eingefädelt sind. Auch durch diese werden Vorsprünge gebildet, die
in ähnlicher Weise wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen eine Feldverzerrung
bewirken, deren Auswirkungen die mit der Erfindung bezweckte Beeinflussung des Hauptentladungsgebietes
zwischen den Elektroden bei Stoßbeanspruchungen ergeben.
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Funkenstreckenanordnungen der beschriebenen Art können als Vor- und
Löschfunkenstrecken bei Überspannungsableiter in Reihe mit spannungsabhängigen Widerständen
verwendet werden. Auch können sie mit Löschgas erzeugenden Stromunterbrechern zusammen
verwendet werden.
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Die Ausführungs- und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden
durch die hier behandelten Beispiele keineswegs erschöpft. Die Vorschläge der Erfindung
können auch unabhängig von diesen einzeln, gemeinsam oder in beliebigen Kombinationen
mit Vorteil verwendet werden.