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Funkenstreckenanordnung Die bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen,
welche Funkenstreckenanordnungen besitzen, sind im wesentlichen für das Abführen
von Überspannungsenergien atmosphärischen Ursprungs geschaffen worden. Bei ihnen
sind die Funktionen des Ansprechens bei einer bestimmten Stoßspannung einerseits
und der Absenkung der Überspannung und der Löschung des nachfolgenden Betriebsstromes
andererseits eng miteinander verknüpft. Die Stoßansprechspannung, die im Interesse
einer ,guten Schutzwirkung möglichst niedrig sein soll und die im wesentlichen von
der Länge der insgesamt vorhandenen Überschlagsstrecken, also der Löschfunkenstrecken,
und der gegebenenfalls vorgesehenen Vorfunkenstrecke abhängt, kann nicht unter ein
gewisses Maß gesenkt werden, da anderenfalls die Löschung des nachfolgenden Betriebsstromes
Schwierigkeiten bereitet. Auch würde der Ableiter dann die infolge des häufigeren
Ansprechens entstehende Wärmemenge nicht gefahrlos aufnehmen können. Der zur Strombegrenzung
vorgesehene spannungsabhängige Widerstand muß im übrigen so bemessen sein, daß die
Löschfunkenstrecke den nach Abführung der überspannungsenergie noch fließenden Reststrom
abschalten kann. Die Löschfunkenstreckenreihe vermag aber nur verhältnismäßig kleine
Ströme zu unterbrechen. Je mehr Teilfunkenstrecken man in ihr vorsieht, um das Löschvermögen
zu erhöhen, um so mehr erhöht sich die Ansprechspannung.
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Derartige Überspannungsableiter der Ventiltype haben sich namentlich
in Hochspannungsanlagen, wo es sich im wesentlichen nur um die Unschädlichmachung
atmosphärischer Überspannungen handelt,
gut bewährt. Es gibt aber
auch besondere Fälle, in denen in erster Linie das Auftreten besonders energiereicher
stationärer Überspannungen bekämpft werden soll. Zum Beispiel können in Nieder-
und Mittelspannungsnetzen durch Überschläge von einem benachbarten Netz höherer
Spannung stationäre Spannungserhöhungen auftreten, durch welche in der gesamten
Anlage zahlreiche Verbraucher, z. B. Transformatoren oder Hochspannungsmotoren,
gefährdet werden können, oder es treten im Verhältnis zur Wanderwellengeschwindigkeit
langsame Schaltüberspannungen auf, die besonders bei großer Netzkapazität sehr energiereich
sind. Die Erfindung geht aus von dem Gedanken, einen für solche Fälle besonders
geeigneten und zuverlässigen wirksamen Überspannungsschutz zu schaffen, der dem
bekannten Ableiter der Ventiltype hinsichtlich seiner Schutzwirkung und seiner Fähigkeit
zur Bewältigung großer Energie noch überlegen sein soll.
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Bekannt sind ferner sogenannte Hörnerfunkenstrecken. Bei diesen schließen
sich an die Überschlagsstelle hörnerartig auseinanderstrebende Leitschienen an,
an denen der Lichtbogen durch das Blasfeld des Lichtbogenstromes entlang getrieben
wird. Dadurch wird der Lichtbogen mit wachsendem Abstand von der Überschlagsstelle
in die Länge gezogen mit dein Ziele, ihn dadurch zum Erlöschen zu bringen. Dies
gelingt jedoch nur bei verhältnismäßig energiearmen Lichtbögen. Bei energiereichen
Lichtbögen dagegen wird durch die -Verlängerung die Leistung des Lichtbogens erhöht
und dadurch die Umgebung noch stärker gefährdet. Die Erfindung beruht auf dem Gedanken,
diesen Nachteil dadurch zu vermeiden, daß auf eine Verlängerung des Lichtbogens,
die zu seiner Unterbrechung doch nicht ausreichen würde, verzichtet und statt dessen
die Stromunterbrechung einem mit der Funkenstrecke in Reihe liegenden, sich stromabhängig
öffnenden Leistungsschalter überlassen wird, der auch in den bekannten Anlagen meist
ohnehin vorhanden ist. Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß die Entfernung
zwischen den Leitschienen mit wachsendem Abstand von der Überschlagsstelle nicht
ständig zunimmt, indem insbesondere die Leitschienen in einem Abstand, der größer
ist als der Elektrodenabstand an der Überschlagsstelle, angenähert parallel zueinander
verlaufen.
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Der Leistungsschalter kann entweder besonders zusätzlich angeordnet
sein oder es kann ein in der Anlage ohnehin vorhandener Leistungsschalter die Funktion
des Abschaltens zugewiesen erhalten.
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Fig. i zeigt zur Erläuterung ein Ausführungsbeispiel. Die hier schematisch
angedeutete Funkenstreckenanordnung ii liegt auf der Niederspannungsseite eines
Transformators 14. 12 ist ein Selbstschalter, 13 ein Dämpfungswiderstand. Bei einem
Durchschlag von der Hochspannungswicklung zu der Niederspannungswicklung des Transformators
oder einem Durchschlag, durch den ein Teil der Hochspannungswicklung überbrückt
wird, wird die Spannung auf der Niederspannungsseite sehr stark erhöht, so daß die
Funkenstrecke i i anspricht. Dadurch wird die Spannung abgesenkt, so daß sie den
auf der Niederspannungsseite angeschlossenen, nicht mit dargestellten Verbrauchern
nicht mehr schädlich wird. Der Lichtbogen an der Funkenstrecke muß so lange bestehenbleiben,
bis der defekte Transformator vom Netz abgeschaltet worden ist. Erst dann, z. B.
nach o,2 Sekunden, wird die Funkenstrecke ii durch den vorgeschalteten Selbstschalter
12 vom Netz abgetrennt und dadurch der Lichtbogen zum Verlöschen gebracht. Bei der
Bemessung der Auslösezeit des mit der Funkenstrecke zusammenarbeitenden Selbstschalters
sind derartige durch die jeweiligen Betriebsverhältnisse der zu schützenden Anlage
gegebenen Erfordernisse zu berücksichtigen.
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Da bei einer solchen Anordnung die Funktionen der Bestimmungen der
Ansprechspannung einerseits und der Unterbrechung des Stromes andererseits völlig
voneinander getrennt und je für sich besonderen, voneinander gänzlich unabhängigen
Einrichtungen zugewiesen sind, besteht die Möglichkeit, diese so auszubilden, daß
die Einstellung besonders niedriger Ansprechspannungen und die Bewältigung besonders
großer nachfolgender Ströme sowie besonders lange dauernder Ansprechzeiten möglich
ist.
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Um mit einer derartigen Anordnung bei Entladung äußerst hoher Spannungen,
beispielsweise atmosphärischer Überspannungen, die außergewöhnlich hohe Entladungsstromstöße
zur Folge haben, auch eine genügend niedrige Absenkspannung zu erreichen, kann man
parallel zu dem erwähnten Dämpfungswiderstand 13 von konstantem Ohmwert einen zusätzlichen
spannungsabhängigen Widerstand 15 schalten, so daß dieser die stromstarken, nichtstationären
Entladungsströme übernimmt, ohne den Spannungsabfall linear mit der Stromstärke
auf unerwünscht hohe Werte ansteigen zu lassen. Soll auch die Möglichkeit des Auftretens
von Mehrfachblitzentladungen berücksichtigt werden, so empfiehlt es sich, die Auslösezeit
des zur Unterbrechung des Lichtbogenstromes vorgesehenen Selbstschalters so groß,
z. B. auf einige Zehntelsekunden, zu bemessen, daß die Wahrscheinlichkeit des Auftretens
einer nachfolgenden Überspannung atmosphärischen Ursprungs praktisch ausgeschlossen
ist bzw. auf ein Minimum begrenzt wird.
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Die Funkenstrecke soll ihrerseits die Einstellung einer `besonders
niedrigen Ansprechspannung ermöglichen. Die Ansprechspannung soll genau einstellbar
sein und ihren Wert auch nach mehrmaligem Ansprechen unverändert beibehalten. Zugleich
soll die Funkenstrecke aber auch das Fließen von Strömen hoher Stromstärke und verhältnismäßig
langer Dauer gestatten, ohne beschädigt zu werden und ohne durch starke Verlängerung
des Lichtbogens eine ständige Zunahme der Lichtbogenspannung zu veranlassen, wie
es beispielsweise bei den bekannten Hörnerfunkenstrecken geschieht.
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Die bekannten Funkenstrecken, von denen eine genaue gleichbleibende
Ansprechspannung verlangt wird, haben entweder so kurzzeitige oder so kleine
Ströme
zu führen, daß der Elektrodenabbrand praktisch verschwindend klein ist und infolgedessen
die Ansprechspannung nicht verändert wird. Es gibt aber, wie insbesondere die vorstehend
behandelte Funkenstreckenanordnung für überspannungsschutzzwecke zeigt, auch Fälle,
in denen mit besonders hohen nachfolgenden Strömen von beachtlicher Dauer zu rechnen
ist. Unter solchen Arbeitsbedingungen ist es schwierig, eine hinreichend gleichbleibende
Ansprechspannung einer Funkenstrecke zu gewährleisten. Bei einer Spanmung von io
kV beträgt beispielsweise die Schlagweite im homogenen Feld etwa 3 mm. Ein Lichtbcgen
von einigen tausend Ampere kann bei Funkenstrecken einer bisher üblichen Bauart
mit einem solchen Elektrodenabstand sehr schnell die Schlagweite in solchem Maße
durch Abbrand oder durch Metallperlenbildung verändern, daß bereits nach einmaligem
Ansprechen nicht mehr die gleiche Ansprechspannung vorhanden ist.
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Vorteilhafte Lösungen dieses Problems lassen sich nach der Erfindung
dadurch erhalten, daß man ittel vorsieht, um den Lichtbogen möglichst
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schnell aus dem Bereich des kürzesten Elektrodenabstandes der Funkenstrecke
herauszubringen, gleichzeitig den Lichtbogen aber möglichst klein zu halten, so
daß einerseits die anfänglichen Ansatzstellen der Lichtbogenfußpunkte geschont werden
und andererseits der Lichtbogen nur wenig Energie aufnimmt und nicht die Luft der
Umgebung übermäßig erhitzt und ionisiert. Zu diesem Zweck wird empfohlen, die überschlagsstelle
in der Bahn des Lichtbogenstromes so anzuordnen, daß die Zuleitungen der Überschlagsstelle
in deren Nähe eine enge Schleife bilden, beispielsweise indem sie ein Stück blank
in einem geringen Abstand parallel verlaufen, so daß der Lichtbogen an der noch
ein wenig engeren Überschlagsstelle die schleifent' Strombahn schließt. Der Lichtbogen
erfährt dadurch vermöge des eigenen Magnetfeldes des Lichtbogenstromes einen starken
Antrieb im Sinne einer Vergrößerung der Schleife. Um ihn weit genug aus der Ansprechzone
hinwegzuführren, so daß er dort nicht durch Abbrand oder 'Ietallperlenbildung die
Schlagweite und damit die Ansprechspannung verändern kann, und dabei aber auch den
Nachteil einer erhöhten Vergrößerung des Lichtbogens zu vermeiden, lassen sich Leitschienen
anordnen, die einen etwas größeren Abstand als die Elektroden haben, im übrigen
aber parallel verlaufen. Die parallelen Leitschienen und die Zuleitungen können
denselben Abstand haben und in einer Flucht angeordnet sein. Damit der Lichtbogen,
am Ende der Leitschienen angekommen, sich dort nicht doch durch Schleifenbildung
vergrößert, kann man die Leitschienen in parallel angeordnete offene Ringe auslaufen
lassen, zwischen denen der Lichtbogen bis zu seinem Erlöschen umläuft, ohne sich
zu verlängern.
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Bei dem in Fig. -2 (Seitenansicht) und Fig. 3 (Grundriß) dargestellten
Ausführungsbeispiel einer Funkenstreckenanordnung nach der Erfindung sind 1. 2 die
Anschlußstellen, 3, 4 die auf einem Stück unmittelbar vor der Ü berschlagsstelle
5, 6 parallel verlaufenden Zuführungsleitungen und 7, 8 die Leitschienen. Elektroden,
Zuführungsleitung und Leitschiene bestehen bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem
Stück. Die Überschlagsstelle, in welcher der Elektrodenabstand etwas verkürzt ist,
befindet sich zwischen kugeligen Einbeulungen dieses schienenförmigen Stückces.
Daraus ergibt sich eine zur Erzielung eines von Anfang an möglichen starken Antriebes
auf den Lichtbogen besonders günstige Stromführung. Am offenen Ende der Leitschienen
befindet sich je ein bei 9 offener Ring io. Zwischen den beiden parallelen Ringen
läuft der Lichtbogen um, sobald er das Ende der Schiene erreicht hat. An den Zuführungsleitungen
3, 4 sind winklig abgebogene Laschen 22 vorgesehen, mit denen die beiden Teile der
Funkenstreckenanordnung auf Tragisolatoren 23 befestigt werden.
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Für viele Fälle empfiehlt es sich, die Elektrodenteile, an denen der
Überschlag stattfindet, auswechselbar zu machen. Eine solche Ausführungsform zeigt
Fig.4. Auch hier ist dafür gesorgt, daß die Stromzuführungswege unmittelbar vor
der Überschlagsstelle ein Stück in engem .Abstand parallel verlaufen. Die Elektrodenteile
16, 17 sind stiftförmig gestaltet und in Fassungen verschiebbar und v erdrehbar,
in denen sie festgeklemmt werden können. Die vorderen Kuppen dieser Elektrodenteile
sind kugelig ausgebildet und mit besonders abbrandfestem, schwer schmelzbarem Material
18, wie Wolfram, Wolfram-Kupfer-Legierungen oder Wolfram-Kupfer-Gemischen, bewehrt.
Um auch hier in der unmittelbaren Umgebung der tatsächlichen Überschlagsstelle eine
für einen möglichst starken anfänglichen Antrieb günstige Stromführung zu erhalten,
bestehen die stiftförmigen Körper dieser Elektrodenteile vorzugsweise aus Isolierstoff
und nur die Bewehrungen 18, die vorteilhaft schalenförmige Gestalt erhalten, aus
leitendem Material. Eine schräge Anordnung der auswechselbaren Elektrodenteile ergibt
den Vorteil, daß bereits lediglich durch Drehen der Elektrodenteile um ihre Achse
neue Flächen zur Benutzung gebracht werden können. Die auswechselbaren Teile lassen
sich daher besonders gut ausnutzen. Besonders vorteilhaft ist es, den Stift der
Elektroden 16, 17 hinter den Schalen 18 aus Isoliermaterial oder Metall schlechter
Leitfähigkeit herzustellen, um ein Ausbiegen der Stromlinien innerhalb der Elektroden
zu vermeiden, was eine große Schleifenbildung und dadurch schlechte Blaswirkung
zur Folge hätte. An den Enden der Leitschienen 7 und 8 können ebenfalls Befestigungslaschen
24. vorgesehen sein.
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Bei kleineren Strömen ist die Blaswirkung der gleichen Funkenstreckenanordnung
geringer als bei großen Strömen. Durch die Anwendung dreier Elektroden läßt sich
aber auch bei kleinen Strömen in vielen Fällen eine zuverlässige und rasche Fortbewegung
des Lichtbogens erzielen. Hierfür zeigt Fig. 5 ein schematisches Beispiel. Die Elektroden
i9, 2o sind mit spannungführenden Leitern verbunden, die Elektroden 2i mit Erde.
Soll beispielsweise die Funkenstrecke die Isolation einer Leitung
eines
Wechsel- oder Drehstromsystems mit nicht starr geerdetem Nullpunkt schützen, so
können die Erdschlußströme sehr klein werden. Durch die räumlich nahe Anordnung
der nach der Erde führenden Funkenstrecke gegenüber einer zusätzlichen Funkenstreckenelektrode,
welche an der Wechselstromspannung bzw. der verketteten Spannung bei einem Drehstromsystem
angeschlossen ist, kann erreicht werden, daß ein Erdschlußlichtbogen einen Phasenkurzschluß
zwischen zwei Leitern nach sich zieht. Der Phasenkurzschluß hat immer einen größeren
Kurzschlußstrom zur Folge, so daß einerseits der Lichtbogen durch das eigene Blasfeld
schnell an den Leitschienen entlang getrieben und andererseits - beispielsweise
bei einer schaltungsmäßigen Anordnung nach Fig. i - der Schalter, der durch den
unterLTmständen kleinenErdschlußstrom nicht ausgelöst würde, nunmehr durch den Kurzschlußstrom
sicher zum Abschalten veTanlaßt wird.
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Eine verstärkte Blaswirkung läßt sich außerdem noch durch die Anwendung
an sich bekannter Blaselektromagnete erreichen. Bei Anwendung vom Lichtbogenstrom
durchflossener Elektromagnetspulen ist dafür Sorge zu tragen, daß die Spulen gegen
Erde bzw. gegen ihren benachbarten Leiter gut isoliert sind.
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Ferner kann man, gleichfalls zwecks kräftigen Lichtbogenantriebes
von Anfang an, magnetische Teile in das Elektrodenmaterial einbetten, derart, daß
bereits die den Lichtbogenfußpunkt durch das Elektrodenmaterial zufließenden Stromfäden
einen _Antrieb in der gewünschten Richtung erfahren.
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Die Möglichkeit zur Ausführung und Anwendung der Erfindungsvorschläge
beschränkt sich nicht auf die Kombination der hier im einzelnen geschilderten Maßnahmen
und Merkmale. So ist insbesondere die Anwendung der angegebenen Vorschläge für die
Funkenstrecke auch unabhängig von dem Anwendungszweck des Überspannungsschutzes
überall da vorteilhaft, wo es auf die Erhaltung einer genau eingestellten und gleichbleibenden
Ansprechspannung trotz großer bzw. langdauernder Lichtbogenströme ankommt, wie beispielsweise
Stoßspannungsgeneratoren, Lichtbogenumformer usw.