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Elektrische 17berspannungsschutzvorrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf eine aus einer Mehrzahl von Funkenstrecken bestehende Überspannungsschutzv
orrichtung.
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In der Regel bestehen überspannungsschutzvorrichtungen aus in bestimmtem,
festem Abstand voneinander angeordneten, durch einen Luftzwischenraum voneinander
getrennten Metallelektroden, von denen die eine geerdet ist. Bei plötzlich auftretenden
Überspannungen wird der Luftzwischenraum zwischen den Elektroden durch eine Funken-
oder Lichtbogenentladung überbrückt und die überschüssige Energie zur Erde abgeleitet.
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Da die Einstellung derartiger Funkenstrecken auf eine bestimmte Spannung
schwierig ist, weil die Spannung, bei der ein Überschlag stattfindet, von verschiedenen
Faktoren abhängig ist, wurde schon vorgeschlagen, Funkenstrecken aus auf eine Isolierstoffunterlage
aufmetallisierten, mit einem gewissen Abstand voneinander angeordneten, entsprechend
gemusterten Metallbelägen, herzustellen und mehrere derartige, als Gleitfunkenstrecken
wirkende Funkenstrecken zueinander parallel zu schalten. Versuche haben ergeben,
daß auch bei diesen Überspannungsschutzvorrichtungen der Abstand der Metallbeläge
wenigstens für Überschlagspannungen unter i kV nicht mit der nötigen Genauigkeit
eingehalten werden kann.
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Diese Mängel lassen sich vermeiden, wenn gemäß der Erfindung bei einer
Überspannungsschutzvorrichtung die Funkenstrecken gebildet werden erstens von zwei
metallischen Flächenelektroden, von denen mindestens eine als ausbrennfähiger Belag
auf einen Isolierstoffträger aufmetallisiert ist, und zweitens von einer den Abstand
zwischen diesen Elektroden bestimmenden, die Elektroden gegenseitig abdeckenden
Isolierstoffschicht, die mit Durchbrüchen versehen ist, durch welche hindurch bei
auftretenden Überspannungen Spannungsdurchschlage
stattfinden,
die den ausbrennfähigen Metallbelag an der Überschlagstelle zum Schmelzen bringen.
Das Ansprechen derartiger Überspannungsschutzvorrichtungen hängt von der Stärke
der Isolierschicht zwischen den. Elektroden und dem Durchmesser der Durchbrüche
in dieser Isolierschicht ab.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
in verzerrten Größenverhältnissen schematisch dargestellt. Es zeigt Fig. i eine
Überspannungsschutzvorrichtung mit nur ausbrennfähigen Elektroden im Schnitt, Fig.
2 eine Isolierstoffzwischenlage in der Draufsicht, Fig. 3 eine andere Ausführungsform
mit ausbrennfähigen Blindelektroden, Fig. q. eine Draufsicht auf eine in mehrere
Felder unterteilte Blindelektrode, Fig. 5 zeigt ein Schaubild, dessen Kurve den
Anstieg der Spannung in Abhängigkeit. von der Zahl der erfolgten Durchschläge veranschaulicht
an einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Überspannungsschutzvorrichtung für
500 V Betriebsspannung.
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In Fig. i sind mit i, 2 und 3 Papierbänder bezeichnet, die auf jeder
Seite einen beispielsweise aufgedampften, ausbrennfähigen Metallbelag q.-5, 6-7
bzw. 8-9 tragen. Zwischen die Bänder i, 2 und 3 ist je ein mit Durchbrüchen io versehenes
Isolierstoffband i i eingelegt, das ebenfalls aus Papier oder aus einem Kunststoff
wie Polystyrol, Triacetatzellulose oder Polyäthylen od. dgl. besteht. Die Metallbeläge
der Bänder i, 2 und 3 erstrecken sich auf der einen Randseite bis zur Randkante,
auf der anderen aber nicht ganz bis zum Rand, so daß dort schmale Streifen der Bänder
unmetallisiert sind. Die Bänder sind so geschichtet, daß der metallisierte Rand
des einen Bandes rechts, der des darüberliegenden links, des darauffolgenden wieder
rechts usw. über die dazwischenliegenden Isolierstoffbänder i i vorsteht. Diese
vorstehenden metallisierten Randstreifen der Bänder sind mit aufgespritzten Kontaktbrücken.
12 und 13 versehen. An diese Brücken werden die nicht gezeichneten Leitungen angeschlossen.
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Zur Sicherstellung von einwandfreien, auch größeren Beanspruchungen
standhaltenden. Verbindungen zwischen den metallisierten Rändern der Metallbeläge
q.-9 und den Kontaktbrücken 12, -13 sind diese Ränder verstärkt.
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Aus Fig. i ist ersichtlich, daß zwischen den einander zugekehrten
Metallbelägen zweier Bänder eine Anzahl von Funkenstrecken vorhanden ist, und zwar
jeweils an denjenigen Stellen, an denen die Isolierstoffbänder ii mit Durchbrüchen
io versehen sind. 'Die Zahl der verfügbaren Funkenstrecken kann -dadurch beliebig.
gesteigert werden, da.ß die Elektroden i, 2, 3 und Isolierstoffbänder ii um die
mit einer strichpunktierten Linie angedeutete Wickelachse aufgewickelt werden. Nach
dem. Aufwickeln oder einer andersartig erzielten Schichtung der Elektroden und Isolierstoffzwischenlagen
(Schichten, Falten) werden die Überspannungsschutzvorrichtungen wie Kondensatoren
weiter= behandelt, d. h. sie werden zunächst getrocknet, um den schädlichen Einfluß
von Luft und Feuchtigkeit auszuschalten, und hierauf mit geeigneten Trärikungsmitteln,
wie z. B. Hartparaffin und Vaseline oder Öl getränkt. Da die Durchschlagsfestigkeit
von getränktem Papier wesentlich höher ist als die des Tränkmittels -allein, kann
damitgeredhnet werden,. daß die Durchschläge bei der beschriebenen Überspannungsschutzvorrichtung
vorwiegend an denjenigen Stellen stattfinden, an denen. Durchbrüche in den Isodierstoffzwischenlagen
vorhanden sind.
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Die Durchbrüche io sind gemäß Fig. 2 gleichmäßig über die Oberfläche
der Isolierstoffzwischenschichten verteilt. Die Stärke dieser Schichten und die
Querschnittsform der Durchbrüche wird so bemessen, daß Durchschläge durch die Durchbrüche
hindurch auftreten, sobald die Spannung an den Elektroden einen vorgeschriebenen
Wert übersteigt. Dabei muß natürlich die mittlere Durchschlagsspannung über der
normalen. Betriebsspannung liegen.
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Durch die bei den einzelnen Durchschlägen entstehenden Lichtbögen.
wird das Ansteigen der Überschlagspannung begrenzt. Gleichzeitig werden die Elektroden
derart ausgebrannt, daß der Metallbelag an den Durchschlagsstellen verschwindet
und die Lichtbögen erlöschen. Diese Wirkung kann dadurch noch verbessert werden,
da.ß die ausbrennfähigen Elektroden auf Isolierschichten mit besonders geglätteter
oder mit einer Lackschicht versehener Oberfläche anfmetallisiert werden.
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Mit steigender Anzahl der Durchschläge in einer derartigen Überspannungsschutzvorrichtung
nimmt ihre Kapazität mehr und mehr ab. Aus der Messung der Kapazität kann daher
auch auf die, Zahl der bereits durchgeschlagenen und der noch intakten Funkenstrecken
geschlossen werden.
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Je nach der Größe der auftretenden Überspannungen wird eine mehr oder
weniger große Anzahl von Funkenstrecken durchschlagen. Da die dabei' entstehenden
Lichtbögen einen kleinen elektrischen Widerstand haben und daher während der Überschläge
große Strömefließen, müssen, großeEnergiemengen auf kleinstem Raum vernichtet werden
können. Wird z. B. bei einem einzigen bei einer Spannung von. 5oo V stattfindenden
Überschlag eine Energie von 5 Joule verbraucht, so fließt dabei ein Strom von ungefähr
iooo Amp. während des etwa io-5 sec dauernden Ausbrennens der Elektroden.
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Bei einer Überspannungsschutzvorrichtung der beschriebenen Art für
eine Betriebsspannung von 5ooV bestanden-die Metallbeläge 4, 5, 6, 7, 8, 9 aus-
o ;o5 ,u starken, auf Papier aufgedampften Zinkschichten und die hsolierstaffbänder
i i aus 2o,u starken Polystyrolfolien. Die Durchbrüche io hatten einen Durchmesser
von i mm und waren mit Paraffin ausgefüllt, das zur Tränkung der Elektroden und
Zwischenlagen verwendet worden war. Diese Vorrichtung spricht schon bei verhältnismäßig
geringen Überspannungen; an. Dabei steigen die Überschlaigsspann!wngen mit der Anzahl
x der
bereits erfolgten Durchschläge nach der in Fig. 5 dargestellten
Kurve an. Überspannungsschutzvorrichtungen für höhere Spannungen als 5oo V können
durch Verstärkung der Isolierstoffzwischenlagen zwischen: den Elektroden geschaffen
werden. Für eine Betriebsspannung von iooo V müssen die Bänder i i auf etwa 40 ,u
verstärkt werden. Der Durchmesser der Durchbrüche io kann dabei i bis 2 mm betragen.
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Einer Betriebsspannung von beispielsweise nur 25o V entspricht dagegen
eine Polystyrolfolienstärke von 8 bis io ,u mit Durchbrüchen von höchstens i mm
Durchmesser.
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Bei der in Fig.3 veranschaulichten Überspannungsschutzvorrichtung
sind die Elektroden der Funkenstrecken im Innern der überspannungsschutzvorrichtung
hintereinan.dergeschaltet. Im einzelnen bestehen dabei die ausbrennfähigen Elektroden
aus auf beiden Seiten einer Isolierstoffunterlage 15 aufmetallisierten Blindbelägen
i6 und 17, die durch je eine mit Löchern 18 bzw. i9 versehene Isolierstoffzwischenlage
2o bzw. 21 abgedeckt sind. Als an Spannung liegende Haupt-und zugleich als Anschlußelektroden
sind in diesem Fall zwei mit jedem der Blindbeläge 16 und 17 zusammenarbeitende,
voneinander getrennte Metallfolien 22, 23 bzw. 24, 25 vorgesehen. Von diesen Metallfolienelektroden
ragen, die mit 22 und 24 bezeichneten auf der einen und die mit 23 und 25 bezeichneten
auf der anderen Stirnseite über die Isolierstoffbänder 15, 2o und 2i hinaus. An
Stelle der Metallfolien 22-25 können natürlich auch metallisierte Isolierstoffbänder
verwendet werden, die Metallfolien haben jedoch den Vorteil, da.ß sie auch bei sehr
großen Strombelastungen nicht abbrennen und daß sie die Wärme aus dem Innern der
Überspannungsschutzvorrichtungen sehr rasch nach außen abzuleiten vermögen. Dies
ist besonders dann von Wichtigkeit, wenn die in Fig. 3 veranschaulichte Anordnung
der Schichten zu einem Wickel aufgewickelt ist. Eine mechanische Zerstörung der
isolierenden Zwischenschichten und der metallisierten Isolierstoffbänder durch Überschläge
mit großem Energieinhalt kann auch dadurch vermieden werden, daß die ausbrennfähigen
Elektrodenflächen 16 und 17 auf dem Isolierstoffband 15 gemäß Fig. 4 in Teilflächen
26, 27, 28 unterteilt werden. In Wickelform hergestellte Überspannungsschutzvorrichtungen
werden zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen außerdem zweckmäßig innen und
außen mit einer größeren Anzahl von Papierleerwindungen versehen.