DE836380C - Blitzschutzvorrichtung - Google Patents

Description

• Blitzschutzvorrichtung

  I>ie Frtintlttitg lrezielit sich auf Blitzschutzvor-

  riclitunfen, die im we@:ntlichen aus Lichthogen-

  (xler I#t»tkeiistrecken in Verbindung mit Wider-

  ständeti bestehen. -Nlit Hilfe spannungsabhängiger

  Widerst<inde, die sich im umgekehrten Verhältnis

  zu (ler Spannung ändern. -sind hinsichtlich der

  I:i@;enschaften des Verltaitens von Blitzschutzvor-

  riclttungen beträchtliche Fortschritte erzielt -,vor-

  den. Die I#ortscltritte von Konstruktionen mit

  I' u@il:cnstrecl:en sind jedoch nur geringer.

  Solcl>e Funkenstrecken haben insl>esoitdere den

  I@@l@cn@len lie(lntgtutgen zu genügen: t. Sie sollen

  für die L-nterl@rechun des die Widerstände durch-

  fließenden lZeststromes eine angemessene Abschalt-

  leistung 1>ahen und die Abschaltung dieses Stromes

  ii»>erl1all) einer kurzen 7eitspannc höchstens von

  der Größe einer Halbperiode sichern; 2. sie sollen sowohl dem Reststrom als auch Stoßströmen bis zu der Nennabschaltleistung der Blitzschutzvorrichtung widerstehen können, ohne dabei wesentliche Beschädigungen zu erfahren; 3. sie sollen insbesondere gegenüber Hochfrequenz- oder Stoßwellen eine verhältnismäßig niedrige Überschlagsspannung, trotzdem jedoch gegenüber industriellen Frequenzen eine verhältnismäßig hohe Überschlags-Spannung haben, und 4. sie sollen einfach, billig und von kompakter Konstruktion sein.
• Die bisher bekannten Blitzschutzvorrichtungen erfüllen die vorstehenden Bedingungen nicht in genügendem Maße, und die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, dieses Problem zu lösen. Gleichzeitig und ganz allgemein gesprochen ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Blitzschutzvorrichtung zu schaffen, die für mittlere und hohe Spannungen geeignet ist.
• Gemäß der Erfindung besitzt die Mitzschutzvorrichtung eine Reihe von vorzugsweise einstellbaren Funkenstrecken, die abwechselnd rechts und links van der senkrechten Achse der Vorrichtung angeordnet und tnit Blasmitteln versedlen sind, die durch die magnetische Wirkung des I?ntladungs-<tromes erregt werden. In Verbindung damit weist die Vorrichtung eigen spannungsveränderlichen Widerstand der sog. nicht linearen Art auf, dessen Wert geringer wird, wenn die angelegte Spannung wächst. Die Spannungsverteilung über die Funkenstrecken wird mit Hilfe von kapazitiven Widerständen geregelt, welche von Meiallplatten gebildet werden, die die betreffenden Funkenelektroden tragen.
• Die Spannungsverteilung kann weiterhin durch zusätzliche Vorsprünge verbessert werden, welche von den crwiilinteti Metallplatten getragen werden und aus eitlem leitenden Material von hohem Widerstand bestellen. Diese Vorsprünge sind so ausgelüldet, daß sie als gegenüberliegende Elektroden von zusätzlichen Kapazitanzen zusammenwirken, die in Reihe mit hohen Widerständen an die betreffenden Funkenstrecken parallel geschaltet sind. Auf diese Weise erhält man eitle kettenartige llattart. in welcher bei niedrigen Frequenzen die \-erteilting im wesentlichen durch die obigen Kapazitatizen bestimmt wird, während bei vorübergehenden hochfrequenten Stoßerscheinungen die Verteilung hauptsächlich durch die hohen Widerstände der leitenden Vorsprünge und durch die Kapazitanzen der Elektroden gegenüber der Erde erzielt wird.
• Ittitilgedessen erhält man insbesondere bei industriellen Frequenzen eine gleichförmige Slrinnutigsverteilung, die die Erzielung einer verhältnismäßig hohen Vberschlagsspannung der Funkenstrecken erleichtert, während sich bei steilfrontigen Stoßwellen eitle nicht gleichmäßige Vertcilttng ergibt, welche diese Überschlagsspannung gc@gcnü.lmr derjenigen. welche industriellen Frequenzen entspricht, bmträohtlich senkt.
• Andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergehen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung. Diese bezieht sich auf eine beispielsweise Ausführungsform einer Blitzschutzvorrichtung für eine mittlere Hochspannung, wie z. B. von der Größenordnung von 7 kV. In der Zeichnung ist Abb. t ein senkrechter Schnitt durch die Blitzschutzvorrichtung, Abb. 2 ein waagerechter Schnitt nach Linie .9-.4 in :\1>b. 1, .\1>l). 3 ein Bild des magnetischen Blasfeldes und Ahlt. .I ein Schema der Kapuzitanzen und Widerstände, welche die Regelung der Spannungsverteilung bewirken.
• Die Vorrichtung nach Abb. i und 2 besitzt einen aus Isolierstoff geformten Behälter t, der durch eitlen die Klemme 3 tragenden Metalldeckel 2 dicht verschlossen ist. Die Kletlitne 3 ist an die Hochspannungsleitung angeschlossen. Der Boden des Behälters ist durch geeignete metallische Elemente .4 und 5 ebenfalls dicht verschlossen. Diese Elemente sind durch den Leiter 6 mit der Erde verbunden und können gleichzeitig als Tragmittel dienen.
• Die Verschlußplatte .I trägt einen Stapel von Widerständen 7 derjenigen 1lekantiteti Art, bei welcher der Ohmwert automatisch und sehr schnell nach einem bestimmten Gesetz abnimmt, wenn die angelegte Spannung ansteigt. Derartige veränderliche Widerstände, die im allgemeinen als nicht lineare \\'iderstände bezeichnet werden, werden unter den Namen Tlivrite, Metrosil. Carbohm usw. gehandelt. Sie bestehen aus Verbindungen von körnigen, halbleitenden Substanzen. Die Zentrierung dieser veränderlichen Widerstände kann in beliebiger Weise, z. B. durch Isolierblöcke 8, bewirkt werden. Oberhalb des Widerstandsstapels befindet sich eine gewisse Anzahl Metallplatten 9,4, 9B usw., von denen nur zwei dargestellt sind. Diese Metallplatten sind durch isolierende Zwischenstücke io voneinander getrennt und in geeigneter Weise, z. B. durch ausgestanzte und umgebogene Zungen i i, zentriert. Diese Platten bilden die Hauptkapazitanzen, die über Funkenstrecken in Verbindung stehen.
• Die unterste Platte 9A trägt rechts auf einer metallischen Stütze 12 eitle feste Elektrode 13 der ersten Funkenstrecke, während die nächste Platte 9B auf einem Polzen 1.4 die einstellbare Elektrode 15 der gleichen ersten Funkenstrecke besitzt. Die Elektrode 1,5 arbeitet mit der Elektrode 13 zusammen, und zwar haben die Elektroden 13 und 15 zweckmäßig eine hornartige Form.
• Den Platten 9A und 9B sind Polstücke 16 und 17 aus magnetischem Metall zugeordnet, deren Grundrißform aus Abb. 2 und im einzelnen aus A:bb.3 ersichtlich ist. Die Platten 9A und 9B können außerdem Paare von zusätzlichen Vorsprüngen ig und t9 tragen, die in beliebiger Weise, wie z. B. durch umgebogene Zungen 24 (Abb. 2), in Stellung gehalten werden. Diese Vorsprünge sind so angeordnet, daß sie die gegenüberliegenden Belegungen einer zusätzlichen Kapazitan7 bilden. Das Material, aus dem sie bestehen, hat einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand. Beispielsweise kommen hierfür Preßkörper aus einem Gemisch eines pulverförmigen Kunstharzes und einer darin verteilten kleinen Menge eines pulverförmigen, leitenden Stoffes in Frage.
• Die Oberseite der Platte 9B trägt links in einer der einstellbaren Elektrode 15 gegenüberliegenden Stellung eine feste Elektrode 2o ähnlich der Elektrode 13. Außerdem kann die Oberseite der Platte 9B auch nicht dargestellte zusätzliche Vorsprünge ähnlich den Vorsprüngen 18 und ig aufweisen. Die oberen Platten 9c, 91) usw. sind in gleicher Weise angeordnet und ausgebildet, so daß, wenn die Blitzschutzvorrichtung z. ß. fünf in Reihe liegende Funkenstrecken besitzt, die sich

  abwechselnd rechts und links der Achse befinden,

  sechs Metallplatten 9A, 9a, 9c usw. und eine ent-

  sprechende Anzahl voll eitlen Widerstand bildenden

  \"orsprüngen i@ und l9 vorhanden sind. Der Weg

  des Entladungsstromes weist also eine Reihe von

  fünf Funkenstrecken auf, die durch Stromschleifen

  in Verbindung stellen. Die beschriebene Zusammen-

  stellung von Teilen hat die in -1b. i durch die

  strichpunktierte Linie dargestellte Gesamtform,

  und zwar wird dieses Gebilde durch eine Feder 22

  und einen 13olzeti 23 in Stellung gehalten, der in

  ein passendes Hiilsellstiick eingreift, wie dies aus

  der Z:#ichii«ng ersichtlich ist.

  Beim :\rl>eiteli der Vorrichtung erzeugt ein

  1>e1 c' (Abb.3) auftretender Lichtbogen in jedem

  Polstück, lvie Z. H. ifi. ein Magnetfeld, dessen

  Kraftlinicn anfangs liings der strichpunktierten

  Linien verlaufen. (>fieses Feld sucht natürlich die

  gel"iiigste lZed«ktanz aufzuweisen und sich in dem

  I.tiftsllalt nach rechts zu verschieben. Es übt da-

  durch auf eben Lichtbogen bei a einen Druck in

  lZiclittl«g des Pfeiles I' aus. Dieser Druck wird

  natürlich durch die dynamische Wirkung der oben-

  erw:illnten Stroinschleifeil verstärkt, wodurch die

  l.ichtl>ügell voll de r .\rlise der Vorrichtung fort-

  gCcli"iicl:t wel"dell. \lall erhält so eine selbsttätige

  .\«slllaswirk«ng, wexlurch die Lichtbögen sofort

  ihre -\nfr«lgsstdl«ngen verlassen und die Licht-

  Itclgeiiz(@ttf#n wirl:#atll entiotiisiert und gegen Rück-

  ziin(I«iigf'ii veol I.ichtllügen

  werden, so

  daß die .\l)schaltleist«ng der Funkenstrecken eine

  betr;ichtliche l?rhüh«n@g erf:ilirt.

  [)a andererseits die Spannung von industrieller

  I@ recluenz, welche jeder Funkenstrecke standhält,

  wegen der nachfolgend erläuterten zweckmäßigen

  Sllatlii«ngsverteil«ng verhältnismäßig hoch ist, so

  I<aiiii (lie .\liz:iIil (ler in Reihe liegenden Funken-

  auf eine \lindestzahl verringert werden.

  Dis bedeutet eine \'ereinfach«ng der Konstruktion

  und eilte llegrenz«ng (bei- Gesamtabmessungen der

  Vorrichtung. Die olrenerw:ililiten Bedingungen i,

  (111(l .f, die sich rtuf eitle holte Abschaltleist«ng, die

  \-ermeid«n,@ wesentlicher Erosionserscheinungen

  «I1(1 auf (lie Vereilifach«ng der Konstruktion Ix-

  zielu#n, weiden also( von der Vorrichtung gemäß

  (ler I?rlinel«ng tatssichlich erfüllt.

  Was titin die Bedingung 3 anbelangt, bei der es

  sich 11n1 die l@lx'r@cllla g5- und t-tclitl)ogenloscli-

  spatinungen handelt, so sei auf AN). 4 verwiesen.

  (lie c#ill vereinfacht("-; elektrisches Schaltschema der

  verbesserten l»litzsclititzvorriclitttiig zeigt, wobei

  lxisl>ielsweisc angenommen ist, daß die Vorrich-

  tunh nur vier in IZeilic liegende Funkenstrecken

  besitzt.

  Die l:;tpazitiven \\'iderst:in<le zwischen den be-

  nachbarten (>llertl@ichen der -zusätzlichen Vor -

  s@lrünge tg und i9 eines jeden gegenüberliegenden

  Plattenpaares 9A. clt usw. sind bei C, gezeigt. Die

  hallen 0li1ilschen \\'idei"st:incle dieser Vorsprünge

  sind finit r bezeichnet. 1)1e ganze dargestellte Reihe

  oder Kette liegt zwischen der Hochspannungs-

  If'itlitig 1. und dem veränderlichen Widerstand R,

  (bei" v()" (Ien( laementenstal)el 7 (.\1>1). t) gebildet

  wird. Die untere Klemme des Widerstandes R ist geerdet.
• Die Bezugszeichen C, bezeichnen die Kapazitanzen zwischen den Elektroden der verschiedenen Funkenstrecken 13, 15. Die Kapazitanzen C, sind zweckmäßig viel ,größer als die Kapazitanzen C," deren Funktion praktisch vernachlässigt werden kann. Die Nehenschlußkondensatoren Cdl bis Cd.. entsprechen den Kapazitanzen der Platten fjA, 9,9 usw. mit allen ihren leitenden Teilen gegenüber der Erde. Auch diese sind viel kleiner als C, Wie man aus dem Schema ersieht, ist kein ständig leitender Stromweg zwischen der Leitung L und der Erde vorhanden, so daß normalerweise kein Verluststrom auftreten kann und die Vorrichtung sich auch nicht in störender Weise erhitzt.
• Es möge, um ein (bestimmtes Beispiel zu geben, die Kapazitanz C, einen Wert von io Mikromikrofarad haben. Die kapazitive Impedanz von C, ist dann bei einer industriellen Frequenz von 5o Hertz 3' iog Ohrn. Wenn der Widerstand y einen Wert von einigen \legolim hat, so wird die Verteilung der an den Kapazitanzen C, der Funkenstrecken auftretenden Spannungen praktisch eine gleichmäßige, denn 1)e1 niedrigen Frequenzen wird sie im wesentlichen durch die Kapazitanzen C, bestimmt, die dann eine dominierende Rolle spielen.
• Bei Stoßfrequenzen von io ooo Hertz beispielsweise werden dagegen die kapazitiven Impedanzen von C, gleich groß wie die Widerstände r und bei Stoßfrequenzen von ioo ooo Hertz, entsprechend den durch einen Blitz erzeugten Wellenfronten, können si-e vernachlässigt werden.
• Unter diesen Bedingungen ist der kapazitive Strom bei hoher Frequenz oder einem steilfrontigen Stoß, welcher die Kondensatorkette C, unter Vermeidung aller Nebenschlußverbindungen durchläuft, praktisch begrenzt und durch die \\'iderstiincle r bestimmt.
• Wenn jedoch gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung die Widerstände r dann den gleichen Wert oder sogar einen höheren Wert als die kapazitiven Nebenschlußimpedanzen Cd, bis Cd. haben, so wird der durch diese Ne;benschlußkapazitanzen fließende Strom im Verhältnis zum .\nwachsen der Stoßfrequenz stärker und stärker werden. Daraus folgt, daß bei anwachsenden Frequenzen die Spannungsverteilung zwischen den Funkenstrecken C, immer ungleichmäßiger und daß infolgedessen die Überschlagspannung der Blitzschutzvorrichtung mehr und mehr vermindert wird.
• 1-fan sieht also, daß man durch die beschriebene Kombination von geeigneten zusätzlichen Kapazitanzen CS, in Reihe damit geschalteten Widerständen r und Nebenschlußkapazitanzen Cdl bis Cdli bei industriellen Frequenzen eine gleichmäßig Verteilung der Leitungsspannung und bei hohen Frequenzen eine nicht gleichmäßige Verteilung derselben erhält.
• \\'enn diese spannungsverteilenden Mittel mit den oben beschriebenen magnetischen Blasmitteln

  i erhunden «-erden, so verbessern sie beträchtlich

  die Arbeitsweise der Funkenstrecken. Diese Fun-

  l;en:trecken haben eine erhöhte Löschspannung,

  st) daß inan mit verhältnismäßig hoher Leitungs-

  -zl>;intiung arbeiten kann, während die gleich-

  mäßigere @"erteilung der niederfrequenten Spati--

  iiung eine wirtschaftlichere Verwendung der Vor-

  richtung gemäß der Erfindung zuläßt. Diese bei-

  21 Eigenschaften ermöglichen es also, die An-

  zahl der in Reihe liegenden Funkenstrecken auf

  eilt Minimum zu vermindern.

  f >ie wirksame Entionisierung der Lichtl>ogen-

  mler Funkenstrecken hat ebenfalls den Vorteil, die

  Spannung, bei der der Lichtbogen erlischt, sehr

  nähe an die Überschlagsspannung heranzubringen.

  letztere kann daher so niedrig gewählt werden,

  \\ ie (lies je Funkenstrecke gewünscht wird. Da

  ini iil)rigen die Spannungsverteilung auf die Fun-

  I<en;trecken von äußeren Einflüssen praktisch

  unabhängig ist, so ist es durchaus nicht erforder-

  lich, i>ei der Einrichtung der Vorrichtung einen

  weiten Sicherheitsbereich vorzusehen. Dieser

  Siclicrlic#itst>ereich kann beliebig eng gewählt

  werden.

  Für steilfrontige Stoßwellen wurde die Cber-

  schlagsspannung wesentlich herabgesetzt; der

  Stoßfaktor liegt niedriger als i. Dies ist be-

  kanntlich ebenfalls ein erheblicher Vorteil.

  1)er obenerwähnten Bedingung 3 wurde somit

  :1>etifalls genügt, und es sei darauf hingewiesen,

  (1a(3 (lies ohne kostspielige und umständliche Vor-

  richtungen und ohne Verringerung der Betriebs-

  sicherheit erreicht ist, wie dies beispielsweise der

  Fall ist. wenn man \Tebenschlußwiderstände ver-

  \vendet, die nian bei gewissen bekannten \'orricli-

  tungen findet, und die ständig von Verlustströmen

  durchflossen werden, deren Wert keineswegs ver-

  nachlässi-t werden kann.

  P.s sci 1>emerkt, daß die beschriebene Au.sfiih-

  rungsforni in verschiedener Hinsicht Abänderun-

  gen erfahren kann, ohne daß damit der Rahmen

  der Erfindung verlassen wird. So ist es beispiels-

  weise möglich, die \Tebenschlußkapazitanzen sowie

  (lie in Reihe liegenden Kapazitanzen beliebig zu

  crl)(*ilten. Dies gestattet, die gleichmäßige Ver-

  teilung der Spannung zwischen den Funken-

  strecken bei einer industriellenFrequenz besser auf-

  rechtzuerhalten und bei hoher Frequenz eine

  ungleichmäßigere Verteilung zu sichern. Hierdurch

  wird die entsprechende Üherschlagsspannung in

  noch größerem Maß: verringert. Zu diesem Zwecke

  ist es insbesondere möglich, die Metallplatten 9.1.

  (),j, 9t.. usw. im unteren Teil der Vorrichtung unter-

  liall> der Widerstände j anzuordnen, statt sie ini

  1>l>eren Teil unterzubringen. Ferner kann man die

  \\'i(lerstän<le und die vorgenannten Platten mit-

  einander abwechseln lassen.

  Schließlich ist es möglich. einen geeigneten Teil der äußeren Oberfläche des isolierenden Gehäuses i in bekannter g'l'eise zu metallisieren, um die Kapazitanzen Cd gegenüber der Erde zu erhöhen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRICHE: i. Blitzschutzvorrichtung finit eitlem den Funkenstrecken zugeordneten Widerstand, dessen Wert sinkt, wenn die angelegte Spannung ansteigt, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von in Reihe liegenden Funkenstrecken, die abwechselnd auf gegenüberliegenden Seiten der senkrechten Achse der Vorrichtung angeordnet und mit Blasmitteln versehen sind, welche durch die magnetischen Wirkungen (]es Entladungsstromes erregt werden, sowie durch eine Regelung der Spannungsverteilung über die Funikenstrecken mit Hilfe von Kapazitanzen, die von die betreffenden Elektroden tragenden Metallplatten gebildet -,werden. z. Blitzscliutzvorriclittuig nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverteilung weiterhin durch zusätzliche, auf den Metallplatten angeordnete, aus einem leitenden Material von hohem Widerstand bestehende Vorsprünge verbessert ist und daß die Vorsprünge so angeordnet sind, daß sie als gegenüberliegende Elektroden zusätzlicher Kapazitanzen wirken, die an die betreffenden Funkenstrecken in Reitle mit geeignet 'hohen Wider-, in #t, den parallel geschaltet sind. 3. Blitzschutzvorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, (laß die magnetischen B1asmittel der Funkenstrecken Entladungsstromschleifen und auf den l.iclitl)ogeitelektroden magnetische Poltücke aufweisen, die von <lern Entladungsstroh erregt werden, so daß eine Blaswirkung zustande koniint, wodurch die Lichtbögen zwecks Beschleunigung der Lichthogenlöschung von der Achse der Blitzschutzvorrichtung weggedrückt werden. Blitzschutzvorrichtutrg nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß (las Verhältnis zwischen den zwischen den Metallplatten und der Erde gebildeten Nel)ensclilußkapazitanzeit und den zwischen den benachbarten Metallplatten gabil-deten Reihenkapazitanzen durch geeihnete Gruppierung der Funkenstrecken gegenüber den veränderlichen Widerständen verbessert ist. 3. Blitzschutzvorrichtung nach Anspruch i. dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung iti einem isolierenden Behälter untergebracht ist. dessen äußere 0l-"erftäclie zwecks Einstellung s:iner Kapazitanz gegenüber der Erde teilweise metallisiert ist.