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Löschfunkenstrecke für Uberspannungsableiter Die Bestandteile eines
Ventilableiters bestehen im wesentlichen aus dem Ventilelement und einer Anordnung
von Funkenstrecken, die in einem Gehäuse eingeschlossen sind. Die Aufgabe des Ventilelements
ist, oberhalb einer bestimmten Spannung einen Übergang des Blitzstromes über das
Ventilelement zu ermöglichen, unterhalb einer bestimmten Spannung aber den Stromfluß
so zu drosseln, daß er durch die Funkenstrecke unterbrochen werden kann. Aufgabe
der Funkenstrecke ist, das Ventilelement von einer dauernden Beanspruchung durch
die Betriebsspannung zu trennen, also nach dem Übergang des Blitzstromes den unter
der Einwirkung der Betriebsspannung nachfließenden Betriebsstrom zu unterbrechen
und das Ventilelement von der Betriebsspannung zu isolieren. Die Funkenstrecken
von Ventilableitern sprechen bei bestimmter Spanliung, z. B. bei der doppelten Betriebsspannung,
an, und sie gewinnen im allgemeinen nach dem Ansprechen ihre dielektische Festigkeit
so schnell wieder, daß der nachgeflossene Betriebsstrom spätestens nach Nulldurchgang
des Stromes erlischt und eine Wiederzündung nicht stattfindet. Diese Aufgabe, die
dielektrische Festigkeit so schnell wie möglich zu gewinnen; ist für die Arbeitsweise
der Ventilableiter sehr wesentlich, damit die wiederkehrende Betriebsspannung nicht
zu einem Überschlag und dadurch zu nochmaligem und wieder holtem Ansprechen führt.
Die bekannten Funkenstrecken, die diese Aufgabe zu erfüllen haben, bestehen aus
Nfetallplatten, die mit Zwischenräumen von einigen zehntel Millimetern bis zu einigen
Millimetern übereinandergestapelt sind und durch Isolatoren voneinander getrennt
sind. Die Metallplatten bestehen in der Regel aus Kupfer oder Messing.
Es
hat sich gezeigt, daß derartige Löschfunkenstrecken von Ventilableitern in dem gegebenen
Sinn arbeiten, wenn die Blitzströme einige iooo, ja sogar einige io ooo oder ioo
ooo Amp. betragen. Dies gilt im allgemeinen mit der Einschränkung, daß die Entladedauer
bis etwa ioo oder Zoo ,us beträgt. Ist die Entladedauer jedoch länger als einige
ioo ,us, so treten Störungen auf. Es hat sich gezeigt, daß bei längerdauernden Überspannungswellen
die Elektroden zu schmelzen beginnen, z. B. bei Kupfereiektroden nach über 300 ,us
Dauer. Durch den Schmelzvorgang wird die Elektrodenoberfläche und nach dem Wiedererstarren
damit die Elektrodenform und ihre Zündspannung verändert. Die Folge ist, daß die
Überschlagsspannung der Funkenstrecken herabgesetzt wird, so daß der Ableiter dauernd
ansprechen kann, z. B. auf Werte unter 5o% der ursprünglichen Ansprechspannung.
Dies hat nun wiederum zur Folge, daß der Ableiter dauernd anspricht und hierdurch
allmählich oder plötzlich zerstört wird. plan hat vorgeschlagen, die Elektroden
aus schwer schmelzbaren Metallen herzustellen, z. B. durch Verwendung von besonders
widerstandsfähiger Stahllegierung oder durch Verwendung von Wolfram oder vonVerbundmetallen
mit Wolfram oder Molybdän. Man kann hierdurch die Formveränderung der Elektroden
@N eitgehend vermeiden und hierdurch erreichen, daß die Überschlagsspannung unverändert
bleibt. Nachteilig ist aber folgendes: Die hohe Temperatur in den Fußpunkten des
Lichtbogens erwärmt eine bestimmte Zone der Elektroden. Diese Temperatur kann bis
zur Schmelztemperatur ansteigen, also z. B. bei Wolfram bis 338o°. Nach Beendigung
des Abieitvorganges kühlt sich dieser Punkt auf der Elektrode ab. Der Vorgang dauert
um so länger, je größer das erhitzte Gebiet war, d. h. je größer der Ableitstrom
war und je länger der Ableitvorgang gedauert hatte. Die Folge hiervon ist, daß sich
die Luft zwischen den Elektroden nicht so weit abkühlen kann, wie dies bei kalten
Elektroden der Fall ist..Infolgedessen ist die Luftdichte zwischen diesen Punkten
der Elektroden nur ein Bruchteil der ursprünglichen Luftdichte bei kalten Elektroden.
Die Festigkeit der Luft zwischen den Platten kehrt also viel langsamer zurück, wenn
die Platten heiß sind, als wenn sie kalt sind. Ist die Temperatur in einer bestimmten
Zone von Wolframelekrroden beispielsweise das Zehnfache der abs. Raumtemperatur,
also beispielsweise 293o° abs., so ist die Luftdichte an dieser Stelle zwischen
den Elektroden nur 1/io von der Luftdichte bei Zimmertemperatur 293° abs. Beträgt
die Überschlagsspannung der Elektroden, die o,8 mm voneinander entfernt sein sollen,
'bei Zimmertemperatur 4,35 kV, so sinkt sie bei '/t,) der Luftdichte auf
0,75 kV herab. Die Folge hiervon ist, <laß eine solche Löschfunkenstrecke
nicht löscht, der Strom also weiter über die Funkenstrecke nachfließt und der Ableiter
zerstört werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die meist aus mehreren elektrisch hintereinandergeschalteten
Einzelfunkenstrecken bestehende Löchfunkenstrecke durch besondere Formgebung und
Anordnung sowohl der Elektroden als auch der sie trennenden Isolatoren so gebaut,
daß die Stelle des Zündvorganges von der Stelle des Löschvorganges räumlich getrennt
wird, daß ferner der zwischen zwei Platten brennende Lichtbogen an eine Stelle gebracht
wird, wo er keiiien sekundären Überschlag einleiten kann, und daß die Löschung an
einer Stelle vorgenommen wird, wo der Abstand zwischen den Elektroden erheblich
größer, z. B. mindestens dreimal größer als bei der Zündung ist. Der zwischen den
Platten bestehende Funken- oder Lichtbogen wird durch die besondere Ausbildung der
Elektrodenplatten beeinflußt. Er erhält durch das magnetische Feld des dem Lichtbogen
zufließenden Stromes einen magnetischen Antrieb, der dem Lichtbogen zu einer Stelle
mit größerem Abstand antreibt. Dies geschieht dadurch, daß der Strom überwiegend
von einer Seite, also nicht konzentrisch, dein Lichtbogenfußpunkt zugeleitet wird.
Zur Verdeutlichung dieses Vorganges dienen die Fig. i a bis i c. Fig. i a zeigt
einen Teil einer Elektrode, der mit io bezeichnet ist. i i ist im Schema der Lichtbogen,
12 sind im Schema die Stromfäden in der Elektrode, die konzentrisch dem Lichtbogenfußpunkt
zufließen. Die Anordnung ist voll symmetrisch, es entsteht kein den Lichtbogen forttreibender
magnetischer Antrieb. Die Fig i b hingegen zeigt einen Teil einer Elektrode, die
mit io bezeichnet ist. Sie ist so begrenzt, daß die dem Lichtbogen ii zufließenden
Stromfäden 12 und 13 vorwiegend von einer Seite, in der Figur von links, zufließen.
Hierdurch entsteht ein magnetischer Antrieb, der den Lichtbogen nach rechts zu treiben
sucht. Ein weiteres Beispiel zeigt Fig. i c. Hier ist die Elektrode io und die Gegenelektrode
14 gezeichnet. Die Elektrode io ist so profiliert, daß die Übergangsfunken nicht
in der -litte, sondern etwas seitlich entstehen. Beim Beginn des Vorganges brennt
infolgedessen der Lichtbogen i i etwas außerhall> der Mitte. Die Stromfäden 12 und
13 in der Elektrode io sind' nun derart verteilt, daß die von links kommende Komponente
etwas größer als die von rechts kommende ist. Allerdings ist bei dieser Anordnung
der magnetische Antrieb noch verhältnismäßig schwach. Er kann aber durch besondere
Gestaltung der Elektroden erheblich verstärkt werden, entweder indem die Elektrode
io oder die Gegenelektrode 14 oder beide Elektroden besondere Einschnitte erhalten.
In der Fig. i c sind die Einschnitte nur für die Elektrode 14 gezeichnet. Die Einschnitte
bewirken in der Elektrode 14, daß die Stromzuleitung von der Mitte nach außen. also
exzentrisch erfolgt. Es entsteht also eine verhältnismäßig starke Stromkomponente
15, die den Lichtbogen nach außen zu treiben versucht. Hiermit sind allerdings die
Merkmale der Erfindung noch nicht vollkommen erfüllt. Es ist wesentlich, daß der
Lichtbogen an eine Stelle getrieben wird, wo er keinen sekundären Überschlag einleiten
kann. In der in Fig. i c gezeigten Ausbildung der Elektroden würde der Lichtbogen
bis zu dem Rand der Elektroden getrieben werden. Die Folge davon wäre, diaß ein
Außenüberschlag eingeleitet werden kann, der die Wirksamkeit
der
gesamten Anordnung aufhebt. Man kann damit rechnen, claß die Lichtl>ogengeschwindigkeit
bei einuni derartigen magnetischen :\iitrieb zwischen 2o und Zoo !(s betrügt. Diese
würde bedeuten, claß der Lichtbogen in ioo ,ecs um 2 bis 2o nun von der ursprünglichen
Stelle abgetrieben wird, eilt Weg. der getiiigend groß ist, um die »achteiligen
Außenüberschläge zu verursachen. wenn wir Vorgänge von über 3oo,us, z. B. von iooo
iss Dauer betrachten. Die weiteren Beispiele (Fig. 2. 3, 4 UM[ 5) zeigen nun die
blerktnale der Erfindung, die dies verhindern. Die Fig. 2 und 4 zeigen einen konzentrischen
magnetischen Antrieb des Funkens nach innen, Fig. 3 einen tangentialen Antrieb und
Fig. 5 einen exzentrischen magnetischen Antrieb nach außen. Fig. 2 oben zeigt einen
Schnitt durch eitle Uischfunkenstrecke und Fig. 2 unten eine Draufsicht auf die
oberste Elektrode, wobei die in einer Ebene liegenden Teile, die also plan sind,
durch Schraffur gekennzeichnet sind. Fig. 2 zeigt Elektroden 2i, die durch isolierende
Ringe 22 Funkenstrecken zwischen den Flektroden bilden. Die Elektrode 21 hat Schlitze
23 und 24, die die Elektrode in verschiedene Sektoren einteilen. Die Elektrode 21
und die Isulierritlge 22 sind durch ein Isolierrohr 25 konzentriert und übereinandergestapelt.
Entsteht nun an der engsten Stelle zwischen zwei 1?lcktrodeii, z. B. am Punkt 26,
ein Überschlag, so fließt dem Fußpunkt der Strom vorwiegend von einer Seite zu,
und zwar von rechts. Die Foringcliung der Elektroden ist nun so durchgeführt, daß
sich der Abstand allmählich vergrößert. Hierzu ist es ztveckcniißig, den Winkel
zwischen der lacktrlidenolierfläche, über die der Lichtbogen wandert, Lind der horizontalen
C.berschlagsebene 32 kleiner als 45° zu halten. Der Lichtbogen wird nach dein Punkt
27 abgetrieben. Es kann nun zweckmäßig sein, die NI:t"itetl>eeiiifltissuiig der
zwischen den einzelnen Platten brennenden Lichtbögen gegenseitig zu vermindern.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, doll ztvischen den Elektroden, wie Fig.
2 zeigt, eine eiserne Platte 28 gelegt wird. l,.s kann dies auch dadurch geschehen,
daß die Elektrode selbst eine Einlage aus Eisen enthält, z. B. indem als 1?lel<trocleninaterial
ein Bimetall benutzt wird, dessen eine Komponente lösen und die andere, dein Lichtbogen
zugekehrte Komponente, beispielsweise Kupfer ist. 1?lektroden, die auf beiden Seiten
voui Lichtbogen beaufschlagt werden, k<innen aus Tritnetall hergestellt werden:
die lieidcn äußeren 1, lächen bcisllielsweise aus Kupfer, der innere Teil aus Eisen.
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Die .\iisbildiiiig der Schlitze nach Fig. 2 kann auch so geschehen.
da[.; der magnetische Antrieb vorwiegend senkrecht zu dein Schlitz, d. 1i. in anderer
_\nordnung tangetitial erfolgt. Es sei dies an den 1@ ig. 3 a bis 3 c verdeutlicht.
In Fig. 3 sind to und ii die Elektroden, 12 der Schlitz. Der Rand dieses Schlitzes
ist in Fig. 3 a so gebogen, daß der Überschlag zwischen il und 12 nicht in unmittelbarer
Nahe des Randes erfolgt, sondern an der engsten Stelle 13, und der Lichtbogen von
da in Übereinstiinniting finit den Erklärungen zu Fig. 2 in radialer Richtung fortgetrieben
wird. In Fig. 3 b hingegen ist der Rand des Schlitzes scharfkantig und nicht umgebogen.
Der Überschlag erfolgt infolgedessen vorwiegend in seiner Nähe. Der Fußpunkt des
Lichtbogens 13 setzt also am Rande an. Der Strom fließt nun diesem Fußpunkte so
einseitig zu, daß entsprechend Fig. 3 c der Lichtbogen um den Rand abgetrieben wird.
Der Schmelzkegel ent-3teht infolgedessen zwischen den Schlitzen, so daß der Abstand
zwischen den Platten unverändert bleibt.
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Es kann ferner zweckmäßig sein, die Schlitze ztl verschließen. Hierzu
kann beliebiges schlechtleitendes oder isolierendes Kittmaterial gewählt werden.
Eine gegenseitige thermische Beeinflussung kann auch dadurch vermieden werden, daß
zwischen den Elektroden eine isolierende Scheilx. z. 1i. aus Asbest, gelegt wird,
in gleicher «'eise wie 28 eine Scheibe aus Eisen zeigt. Es ist nicht erforderlich.
daß die profilierte Platte mit Schlitzen versehen ist, wenn die Anordnung so getroffen
Nvird, daß die Gegenelektrode aus einer flachen Platte Besteht und, wie Fig. 2 zeigt.
diese flache Elektrode 31 solche Schlitze 23 und 24 l)esitzt.
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Ein weiteres Merkmal für einen konzentrischen .\ntrieb des Lichtbogens
nach der 1Uitte zeigt Fig. 4. Fig. 4 oben zeigt einten Schnitt durch eine Löschtunkenstrecke.
Hier bedeutet 21 die Elektroden mit Schlitzen 23 und 24. Die Elektroden sind durch
Isolierringe 22 voneinander getrennt. Sie sind in tmserein Beispiel in sechs Sektoren
eingeteilt, von denen abwechselnd je drei nach oben und je drei nach unten gebogen
sind. In Fig. 4 unten ist eine Draufsicht auf <die obere Elektrode gezeigt, so
daß die sechs Sektoren zu sehen sind. Die Ebenen, über die ein Überschlag erfolgt,
sind durch schräge Schraffur allgedeutet. und zwar die nach oben gebogenen :,nders
als die nach unten gebogenen. Es ist angeticimnien, daß am Punkt 26 ein Überschlag
entsteht, der durch das Eigenfeld nach 27 abgetrieben wird. .\uch bei dieser Anordnung
läßt sich durch einge-Icgte I?isenritige 28 eine magnetische Beeinflussung l;eilachbarter
Entladungen vermeiden oder der eigene Antrieb verstärken. Die Elektroden haben :\tissparungen
29, um sie in dem äußeren Rohr 25 in ihrer Lage zu fixieren. Auch bei dieser Anorcinung
ist es möglich, die Schlitze 23 fortzulassen und eine flache Gegenelektrode zu wählen,
die mit derartigen Schlitzen versehen ist. Das Bild zeigt in der Elektrode
30 und Gegenelektrode 31 eine solche :\nordnung, bei der nur die Gegenelektrode
31 die zur Verstärkung des magnetischen Antriebes erforiIcrlichen Schlitze erhält.
Ein weiteres Beispiel zeigt Ui-. 5. Hier ist die Anordnung so getroffen, d@aß (!ei-
Lichtbogen einen exzentrischen Antrieb erhält. Die Elektrode 21 ist so geformt,
daß der Lichtbogen etwas außerhalb der Mitte entsteht. Die Gegenelektrode 22 hat
Schlitze 23 und 24. Fig. 5 unten zeigt eine Draufsicht auf die Funkenstrecke, in
der zwei Uunkenfußpunkte 25 und 26 durch Schraffur angedeutet sind. Die Schlitze
23 und 24 erteilen dem Funken 25 einen Antrieb nach außen und dem auf
der
Unterseite entstehenden Funken 26 ebenfalls einen Antrieb nach außen. Die Isolierringe
27 und 28 sind so angeordnet, daß der Lichtbogen eine Begrenzung erhält und nicht
nach außen dringen kann, um dort einen Überschlag einzuleiten. In Übereinstimmung
mit Fig. i c wird also dier Lichtbogen von innen nach außen getrieben.