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Widerstandsmaterial und Verfahren zur Herstellung desselben Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf eine Widerstandsmasse, die insbesondere zur Verwendung
in elektrischen Entladungsgeräten, wie z. B. Blitzschutzvorrichtungen, bestimmt
ist und die einen veränderlichen Widerstandswert hat, so daß ihr Widerstand sich
beim Einschalten in einen Stromkreis mit Anwachsen der Spannung in dem Stromkreis
vermindert.
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Blitzschutzvorrichtungen, in denen Widerstandsmaterialien nach der
Erfindung Verwendung finden, sind meist derart konstruiert, daß eine Luftspaltanordnung
in Reihe mit dem Widerstandsmaterial geschaltet ist. Im Falle eines Stromstoßes,
wie er z. B. bei Blitzschlag erfolgt, tritt ein Überbrücken des Luftspalts ein und
wird ein Stromkreis von niedrigem Widerstand durch die Widerstandsmasse zur Erde
geschlossen, wodurch der Stromstoß in die Erde abgeleitet und Schaden an dem an
die Leitung angeschlossenen elektrischen Gerät vermieden wird. Die Widerstandsmasse
wird daher oft als das Ventilelement der Einrichtung bezeichnet. Ein Ansteigen der
Spannung in dem Ventilelement wird dabei infolge des gleichzeitig mit dem Stromstoß
absinkenden Widerstandes vermieden. Andererseits tritt bei Wiederherstellung der
normalen Leitungsspannung ein genügendes M'iederanwachsen des Widerstandes des Ventileiements
ein, so daß der nachfolgende Betriebs-
Strom innerhalb der Grenzen
bleibt, innerhalb deren der Luftspalt wieder die Stromunterbrechung bewirken kann.
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Um seine Funktion auszuüben, muß das Ventilelement demnach, da der
gesamte [Spannungsstoß durch die Widerstandsmasse hindurchgeht und der Luftspalt
eine Unterbrechung des Stroms unter den angegebenen Umständen nicht herbeiführt,
in der Lage sein, die volle Entladung auszuhalten, ohne daß ein Stromdurchschlag
oder Überschlag eintritt und ferner auch ohne daß seine elektrischen Eigenschaften
wesentlich verändert werden.
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Die Erfindung hat demgemäß zum Ziel, ein Widerstandsmaterial für die
angegebenen Zwecke zu schaffen, welches sogenannte langanhaltende Blitz- und Schaltungsstromstöße,
d. h. Stöße von einer Millisekunde oder längerer Dauer, aushalten kann. Ein weiteres
Ziel -der Erfindung ist ein Widerstandsmaterial dieser Art zu schaffen, dessen Schutzeigenschaften
von größerer Dauerhaftigkeit sind 'als die des bisher benutzten Materials. Auch
bezweckt die Erfindung, die Fabrikation der Widerstandsmasse zu vereinfachen und
zu verbilligen. - -Zwecks Verdeutlichung der praktischen Anwendung der erfindungsgemäßen
Widerstandsmasse werden zwei Ausführungsformen von Entladungsgeräten, in denen die
Masse Verwendung findet, in Fig. 1 und 3 ,in Draufsicht und teilweise im Schnitt
dargestellt. -Fig.2 zeigt eine Ansicht in Perspektive einer Widerstandsscheibe,
wie sie in dem Gerät nach Fig. 1 verwendet wird, und Fig. 4 ist eine ähnliche Ansicht
einer Scheibe für das Gerät in Fig. 3.
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Fig. 5, 6 und 7 sind Kurvendarstellungen zur weiteren Erläuterung
der Erfindung, und Fig.8 bis 11 veranschaulichen Eigenschaften des Widerstandsmaterials
vor und nach Durchführung des erfindungsgemäßen Vergütungsverfahrens.
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Das elektrische Entladungsgerät der Fig. 1. stellt eine Blitzschutzvorrichtung
1 dar, innerhalb deren Gehäuses 2 sich eine allseitig umschlossene Ltiftspaltanordnung
3, bestehend aus in Serie angeord= neten einzelnen Luftspalten 4, befindet. Ein
Ventilelement 5- ist in Serie mit der Luftspaltordnung 3 geschaltet. Das Ventilelement
besteht aus einer Anzahl von Widerstandsplatten oder Scheiben 6, die in einem Stapel
angeordnet sind, so daß benachbarte Siirnflächen der Scheiben miteinander in Kontakt
stehen; Die Stirnflächen sind vorzugsweise mit einem Überzug von leitendem Material,
z: B. Metall, versehen. Die einzelnen Platten oder Scheiben bestehen zweckmäßig
aus einem äußeren ringförmigen Teil 7, der als Fassung dient und aus Isoliermaterial
besteht, und -aus einem im Innern der Fassung angebrachten Kern 8 des erfindungsgemäßen
Widerstandsmaterials. Eine Klemme 9 dient zur Verbindung mit der Leitung, und eine
Klemme 1o versieht den Erdschluß.
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Eine etwas andere Form einer Blitzschutzvorrichtung, in der jedoch
eine ähnliche [Form einer Widerstandsplatte oder- -Scheibe verwendet wird, ist in
Fig: 3 dargestellt. Das dort gezeigte Gerät 11 hat-ebenfalls-ein geschlossenes zylindrisches
Gehäuse 12, innerhalb dessen eine Mehrzahl von Scheiben 13 vorgesehen ist. Die Scheiben
bestehen gleichfalls aus dem erfindungsgemäßen Widerstandsmaterial; sind aber abwechselnd
mit den Luftspaltanordnungen 14 angebracht. Die Luftspaltanordnungen 14 #und Widerstandsscheiben
13 liegen elektrisch zwischen der Leitungsklemme 15 und der Erde 16. Die Widerstandsscheibe
13, die in Fig. 4 besonders dargestellt ist, besteht aus einer ringförmigen Fassung
17, die der vorerwähnten Fassung 7 entspricht, und einem Kern 18 aus dem erfindungsgemäßen
Material.
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Die Anordnung der Kerne 8 und 18 innerhalb der Isolierfassung 7 und
17 hat den Zweck, einen Überschlag zu verhindern. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
haben die Scheiben 6 einen größeren Durchmesser als die Scheiben 13; doch kann jede
beliebige Größe von Scheiben verwendet werden.
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Die Widerstandsmasse nach der Erfindung besteht aus Siliciumcarbid-
oder Karborundkristallen, die durch ein geeignetes Bindemittel zusammengehalten
werden: Um dem Widerstandsmaterial größere Kraft gegen anhaltende Stromstöße infolge
Blitz oder Schaltungsmaßnahmen zu verleihen und um den Schutzeigenschaften größere
Dauerhaftigkeit zu geben, wird gemäß der Erfindung ein feuerbeständiges keramisches
Bindematerial verwendet, dem eine begrenzte Menge Talk beigemengt ist. Die Widerstandsmasse
wird ferner nach Formung zu Scheiben oder Platten Stromimpulsen von bestimmter Größe,
Dauer und Polarität ausgesetzt. Die Talkbeimengung und die elektrische Vergütung
können sowohl- zusammen wie getrennt zur Anwendung kommen.
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Die Beimengung einer kleinen Menge Talk macht 'das Bindemittel wirksamer
sowie mehr glasig und fließend während der Verglasung des Materials, und dies wiederum
führt zu einen[ 'besseren und flächenmäßig größeren Kontakt zwischen dem Bindemittel
und den Siliciümcarbidkristallen. Anscheinend tritt" beim Verfestigen eines Talk
enthaltenden Bindemittels eine bessere Haftung zwischen dem ,Bindemittel- und den..
SiLiciumcarbidkristallen ein, wodurch die Anzahl der Kontaktstellen vermehrt und
der sich hauptsächlich an den Kontaktstellen ergebende Widerstand der Scheiben vermindert
wird. Daher wird die an den Kontakten bei starken Stromstößen entstehende Spannung
herabgesetzt, und.selbst sehr starke Ströme können durch die Masse hindurchgehen,
ohne rlaß eine Überbeanspruchung eintritt.
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Möglicherweise ist die Ursache der beobachteten Erscheinungen auch,
daß die besseren Fließeigenschaften des Talk enthaltenden B Bindemittels eine Verteilung
desselben über eine größere Fläche der Kristalloberflächen bewirken und daß daher
mehr Kontaktstellen geschaffen werden, an denen nur eine dünne Isolationsschicht
zwischen den Kristallen .liegt. Daraus wiederum ergibt sich ein Aufbau der Masse,
der in besonderer Weise: der erfindungsgemäßen Vergütung durch elektrische. Stromstöße
zugänglich ist. . -. :' _
Diese Theorie soll jedoch lediglich der
Erleichterung des Verständnisses dienen und nicht eine Beschränkung des Schutzumfanges
darstellen, falls die an sich feststellenden Ergebnisse der Erfindung wissenschaftlich
auf andere Weise zu erklären sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Widerstandsillassebesteht
aus 75%Siliciumcarbidkristallen und --,5% Bindemittel. Die Korngröße der Siliciumcarbidteile
ist zweckmäßig so, daß die Teile durch ein Sieb hindurchgehen, das je nach Anwendungsform
eine Lochgröße zwischen 0,074 und o,8,1 mm hat. Vorzugsweise bestellt das Bindematerial
aus einer Porzellanmischung, der derTalk, z. B. in Form .von Steatit oder wasserhaltigem
Mägnesitimsilicat, beigemischt ist. 5 % Talk ist äußerst zweckmäßig, aber die besondere
Wirkung der Erfindung erstreckt sich auf den gesamten Bereich von 2 bis io% Talkgehalt.
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Die Größe des Talkanteils ist entscheidend wichtig. Wird zuviel Talk
verwendet, z. B. über io%, so wird der nachfolgende normale Betriebsstrom, der durch
die Scheibe gehen kann, größer als die mit den Scheiben in Reihe geschaltete Luftspaltanordnung
abzusperren vermag. Zuviel Talkgehalt macht auch die Scheiben mechanisch unzulänglich.
Der Zusammenhang zwischen Talkgehalt und normalem Betriebsstrom ist aus der graphischen
Darstellung der Fig. 5 ersichtlich.
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Wenn der Talkgehalt zu niedrig ist, z. & unter 2010, so
ist die Widerstandsfähigkeit der Scheiben im Falle von langanhaltenden Entladungen,
das sind Entladungen von einer Millisekunde oder länger, zu gering. Die Bedeutung
des Talkgehalts für die Widerstandsfähigkeit bei langanhaltenden Entladungen ergibt
sich aus Fig.6, worin graphisch diejenigen Stromstöße dargestellt sind, welche die
Scheiben ohne Durchschlagung auszuhalten vermögen.
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Vorzugsweise enthält das Widerstandsmaterial nach der [,'-rfiildung
neben 75% Siliciumcarbidkristallen 23,75 % Porzellanmasse und 1,25 % Talk. Die Porzellanmasse
kann aus Ton, Feldspat, Feuerstein oder einem ähnlichen Material bestehen.
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Es ist äußerst wichtig, daß der Talk trotz der geringen \lenge gleichmäßig
durch die ganze Masse verteilt ist. Vorzugsweise wird der Talk zunächst gründlich
mit der Porzellanmasse vermischt, worauf die Siliciumcarbidkristalle zugesetzt werden
und die ganze blasse wiederum einer Durch-Mischung unterworfen wird. Sodann wird
die ,lasse in einen Zylinder oder röhrenförmigen Behälter gebracht, der seinerseits
in eine zylindrische oder röhrenförmige Form gesetzt wird, so daß sich ein ringförmigerZwischenraum
innerhalb derForm ergibt, in den man das Material für die isolierende Fassung einbringt.
Nach der erforderlichen Bearbeitung wird der Zylinder oder die Röhre entfernt und
Druck gleichzeitig auf den inneren Kern des Widerstandsmaterialsund die äußereIsolierfassung
zur Anwendung gebracht. Zweckmäßig wird die Druckausübung wiederholt unterbrochen,
um das Entweichen der eingeschlossenen Luft zu ermöglichen, was wünschenswert ist,
um eine von Materialfehlern freie Widerstandsscheibe zu erhalten. Der angewandte
Druck beträgt vorzugsweise zwischen 280 und 844o kg pro Quadratzentimeter.
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Nach dem Trocknen der Widerstandsmasse wird dieselbe für eine bestimmteDauer
bestimmtenTem-1>eraturen unterworfen, wie aus der Kurve in Fig. 7 ersichtlich ist.
In einer Ausführungsform der \-\,' iderstandsmasse hat sich eine Spitzentemperatur
innerhalb des Bereiches von 121o bis zu 12,1o° als zweckmäßig erwiesen. Die bevorzugte
Höchsttemperatur ist 1225°. Selbstverständlich müssen aber für Widerstandsscheiben
etwas verschiedener Zusammensetzung andere Temperaturen und Zeiten zur Anwendung
kommen.
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Die Wirkung des obenerwähnten elektrischen Vergütungsverfahrens auf
die Qualität des Widerstandsmaterials kann in folgender Weise erklärt werden, wobei
zu bemerken ist, daß diese Erklärung zwar wissenschaftlich begründet erscheint,
aber nicht als eine Beschränkung des Erfindungsgedankens angesehen werden soll.
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Die elektrischen Impulse, denen die Widerstandsscheiben unterworfen
werden, zerstören vermutlich einen Teil der isolierenden Schicht der Bindemasse,
die sich zwischen einem Teil der Siliciumcarbidkristalle befindet. Als eine Folge
davon werden zusätzliche Stromwege für den Entladungsstrom geschaffen. Zur weiteren
Erklärung wird auf Fig.8 bis i i der Zeichnung verwiesen. Fig. 8 zeigt einen Schnitt
durch eine Widerstandsscheibe 6 vor An-,#vendung des Vergütungsverfahrens. Fig.
1o zeigt denselben Schnitt nach Abschluß der Vergütungsbehandlung. Die gestrichelten
Linien im Verlauf der Pfeile in Fig. 8 lassen die ungleichmäßige Stromverteilung
durch die Scheibe erkennen. Diese beruht darauf, daß die Teile i9 bis 25 der Scheibe
Siliciumcarbidteile enthalten, die voneinander durch Schichten des Bindemittels
isoliert sind. Dies ist in vergrößertem Maßstab in der Fig. 9 gezeigt, die ein einzelnes
Bild des Teiles i9 der Scheibe darstellt. Die Siliciumcarbidteilchen sind darin
mit 26 bezeichnet, während die Isolierschichten des Bindemittels zur Veranschaulichung
durch schwarze blecken 27 angedeutet sind. Tatsächlich ist das Bindemittel nicht
nur auf die dunklen Flecken konzentriert, sondern findet sich in vielen der Zwischenräume
zwischen den Kristallen. Auch sind tatsächlich die Siliciumcarbidkristalle schwarz,
während das Bindemittel weiß ist. Die Zeichnung dient daher nur der Veranschaulichung.
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In dem Vergütungsverfahren werden die Isolierschichten der Biildemasse
27 durchschlagen, so daß Stromwege mitten durch den Teil i9 geschaffen werden, wie
sich aus Fig. i1 ergibt. Fig. io zeigt die Widerstandsscheibe 6, nach der Vergütung
und läßt erkennen, daß der Strom nunmehr in einer wesentlich gleichmäßigeren Weise
verteilt wird. Dadurch sind Gebiete, in denen überanspruchung auftreten könnte,
mehr oder weniger beseitigt.
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Offensichtlich führt eine Entladung durch eine Reihe von Kontaktstellen
zwischen den Kristallen zu einer höheren Spannung an den Stellen höheren Widerstandes
und dadurch zu einer größeren Erhitzung
solcher Stellen im Gegensatz
zu Kontaktstellen niedrigeren Widerstandes. Durch solche Erhitzung wird jedoch der
Widerstand der Kontaktstellen, die ursprünglich höheren Widerstand hatten, erniedrigt
und eine gleichmäßigere Widerstandsverteilung je Kontaktstelle ermöglicht. Mit anderen
Worten, die Spannungsverhältnisse innerhalb der Scheiben werden durch die Vergütungsbehandlung
ausgeglichen. Jeder Abschnitt eines Stromweges wird daher ziemlich gleichmäßig vom
Strom belastet, und das dürfte zu der Erhöhung der Belastbarkeit der Scheiben führen.
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Das folgende Experiment stellt eine Bestätigung dieser Theorien dar.
Zwei Scheiben derselben ursprünglichen Zusammensetzung und Widerstandseigenschaften
wurden parallel zu einander geschaltet, so daß im Falle eines Stromstoßes dieselbe
Spannung in jeder der beiden Scheiben auftrat. Eine der Scheiben wurde einer Vergütung
unterworfen mittels dreier Stromstößen von je 5ooo Ampere und einer Stromkurve,
bei der der Scheitelwert in g Mikrosekunden erreicht wurde und bei der der Strom
sich in 16 Mikrosekunden auf den halben Wert verminderte. Die andere Scheibe war
nicht vergütet worden.
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Das Experiment ergab, daß die vergütete Scheibe zweimal soviel Strom
leitete wie die andere Scheibe. Im Gegensatz zu der vergüteten Scheibe versagte
die nicht vergütete Scheibe völlig, obwohl sie nur die Hälfte des Stromes leitete
und daher nur die halbe Energie nötig war. Eine dreimalige Wiederholung desselben
Experiments, worin die gleiche V ergütungssr,heibe nacheinander mit drei weiteren
nicht vergüteten Scheiben zusammengeschaltet wurde, hatte dasselbe Ergebnis. Die
nicht vorbehandelte Scheibe wurde durchschlagen, die andere Scheibe nicht. Dieselbe
Reihe von Experimenten wurde dann mit dem gleichen Ergebnis mit zwei weiteren vergüteten
Scheiben wiederholt.
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Zusammenfassend kann als wahrscheinlich angesehen werden, daß die
höhere Belastbarkeit der drei vergüteten Scheiben darauf zuriickzuführen ist, daß
die Entladung sich über eine größere Fläche verteilt und daß dadurch die Spannungsverhältnisse
und Spannungsbeanspruchungen innerhalb der Scheibe ausgeglichen werden.
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Die zur Anwendung gebrachten Stromimpulse können von verschiedener
Art sein. Vorzugsweise werden die Scheiben sowohl negativen wie positiven Impulsen
ausgesetzt, um die Widerstandsfähigkeit sowohl gegen positive wie negative Stromstöße
zu erhöhen. Würde nur eine Polarität, z. B. die positive, zur Anwendung gebracht,
so würde dies die Scheibe wesentlich belastbarer durch negative Stromstöße machen,
würde aber nur mäßig ihre Belastbarkeit durch positive Stöße erhöhen. Das Umgekehrte
trifft im Falle der Vorbehandlung mit negativen Impulsen zu.
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Vorzugsweise wird die Scheibe zunächst zwei negativen Impulsen mit
derjenigen Seite ausgesetzt, die nach der Leitung liegt. Dem folgen dann zwei positive
Impulse. Dadurch wird die Scheibe .in etwas höherem Grade durch negative Stromstöße
belastbar, was erwünscht ist, weil Blitzentladungen gewöhnlich negativ sind, während
gewöhnliche Schaltentladungen sowohl positiv wie negativ sein können.
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Bei den Scheiben für das Gerät nach Fig. i haben die negativen ebenso
wie die positiven Impulse vorzugsweise eine Stärke von io ooo Ampere. Die Stromkurve
der Impulse ist derart, daß der Scheitelwert des Stromes innerhalb von io bis zu
2o Mikrosekunden, vorzugsweise innerhalb von io Mikrosekunden, erreicht wird und
sich dann auf den halben Stromwert in 2o bis 4o Mikrosekunden, vorzugsweise 20 Mikrosekunden,
vermindert. Im Falle der Widerstandsscheiben für die Vorrichtung der Fig. 3 genügt
es, wenn der Strom eine Stärke von 5ooo Ampere hat bei sonst gleicher Polarität,
Aufeinanderfolge und Dauer der Stromstöße.
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Wenn man,für das Vergütungsverfahren Ströme von größerer Stärke und
gleicher oder längerer Zeitdauer benutzt als angegeben, wird der nachfolgende Betriebsstrom
unnötig verstärkt und die Anforderung an die Unterbrechungsfähigkeit der Luftspaltanordnung
zu sehr erhöht. Wenn andererseits niedrigere Ströme für dieselbe oder gar eine kürzere
Zeit benutzt werden, so wird die Belastbarkeit des Ventilelements für länger anhaltende
Stromstöße heruntergesetzt. Gegebenenfalls mag es jedoch erwünscht sein, einen Strom
von etwas größerer Stärke, dafür aber etwas kürzerer Dauer zu benutzen. Eine sehr
hoch belastbare Scheibe ergibt sich z. B. durch Impulse, die einen Scheitelwert
von 13 bis 15 ooo Ampere in i bis 4 Mikrosekunden erreichen und die dann innerhalb
von 3 bis 7 Mikrosekunden auf die halbe Stärke heruntergehen. Theoretisch ist solch
ein kurzer, aber starker Stromimpuls deshalb wünschenswert, weil der Spannungsstoß,
der erforderlich ist, um die Isolierschicht zwischen den Siliciumcarbidteilchen
zu durchbrechen, bei so kurzer Zeitdauer weniger Gefahr einer Beschädigung der Kontakte
zwischen den Kristallen mit sich bringt. In mechanischer Hinsicht ist es zweckmäßig,
wenn der Impulsgenerator zur Erzeugung solchen Stroms klein gehalten wird. Wünschenswert
wäre ferner, wenn die Stromkurve eine steil ansteigende Form von hoher Schwingungszahl
aufwiese und für positive und negative Hälften der Sinuskurve gleiche oder nahezu
gleiche Größe der Amplitude hätte, da dadurch eine Bearbeitung mit positiven und
negativen Impulsen in ein und demselben Verfahrensgang möglich wäre. Eine Stromkurve
dieser Art ist aber schwierig zu erzeugen, da die tatsächlichen Ströme gewöhnlich
aufeinanderfolgende Halbwellen von abnehmender Stromstärke aufzeigen.
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Die Benutzung von Talk und die Vergütung der Widerstandsscheiben nach
der Erfindung führt auch zu einer größeren Dauerhaftigkeit der beschriebenen Schutzeigenschaften.
Vorbekanntes Widerstandsmaterial, das Stromentladungen in der Größe von ioo ooo
Ampere unterworfen wurde, zeigte danach ein beträchtliches Anwachsen der Spannung
in dem Ventilelement und daher auch der Spannung in dem angeschlossenen elektrischen
Gerät
bei Strömen in der Größenordnung von nur einigen ioo Ampere. Im Gegensatz dazu bleibt
unter ähnlichen Bedingungen die Spannung in dem erfindungsgemäßen Ventilelement
im wesentlichen unverändert. Dies ist wichtig, weil es höchst unerwünscht ist, wenn
die Schutzeigenschaften eines derartigen Widerstandsmaterials sich erheblich ändern,
sobald das Material einem starken Entladungsstrom ausgesetzt worden ist. Das Ergebnis
der Erfindung ist daher ein Material, das größere Dauerhaftigkeit seiner Eigenschaften
mit einer erhöhten Belastbarkeit durch sogenannte langanhaltende Blitz- und Schaltstöße
verbindet.
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Das beschriebene Widerstandsmaterial läßt im Rahmen der Erfindung
noch verschiedene Abänderungen und Ausgestaltungen zu und soll daher nur den Grundgedanken
der Erfindung erläutern, ohne diesen auf eine spezielle Ausführungsform zu beschränken.