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Die Erfindung geht aus von einem Überspannungsschutzsystem für ein ein-, drei- oder mehrphasiges Stromversorgungsnetz, bestehend aus getriggerten Funkenstrecken, wobei die Funkenstrecken zwei Hauptelektroden und eine Zündelektrode aufweisen, welche über eine Ansteuerung mit einer der Hauptelektroden in Verbindung steht, gemäß Oberbegriff der Ansprüche 1, 3 oder 4.
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Aus der
EP 1 461 852 B1 ist ein mehrphasiges Überspannungsschutzsystem für ein mehrphasiges Stromversorgungsnetz mit mindestens zwei Überspannungsschutzelementen vorbekannt. In jedem Leitungszweig des Stromversorgungsnetzes ist gemäß dieser Lösung ein Überspannungsschutzelement angeordnet, wobei die einzelnen Überspannungsschutzelemente eine erste und eine zweite Elektrode sowie eine zwischen den beiden Elektroden wirksame Funkenstrecke aufweisen. Alle vorgenannten Überspannungsschutzelemente sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
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Die einzelnen Überspannungsschutzelemente sind derart miteinander gekoppelt, dass beim Zünden eines Überspannungsschutzelements alle anderen Überspannungsschutzelemente gleichzeitig gezündet werden. Diesbezüglich sind die Elektroden der einzelnen Überspannungsschutzelemente so zueinander angeordnet, dass beim Zünden der Funkenstrecke eines Überspannungsschutzelements durch das dann vorhandene Plasma die Durchschlag-Funkenstrecke der anderen Überspannungsschutzelemente ebenfalls zündet. Die einzelnen Elektroden sind koaxial zueinander befindlich.
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Weiterhin ist eine zentrale Zündhilfe vorgesehen, mit der alle Überspannungsschutzelemente verbunden sind.
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Die zentrale Zündhilfe ist durch eine zentrale Zündelektrode und eine mit der Zündelektrode verbundene, zentrale Zündschaltung realisiert.
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Mit der vorbekannten Lösung soll der notwendige Schutzpegel zwischen allen Leitungszweigen sichergestellt sein und eine einfache konstruktive Lösung geschaffen werden.
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Durch den Aufbau aller Funkenstrecken in einem gemeinsamen Gehäuse werden grundsätzlich alle Funkenstrecken gezündet, und zwar auch dann, wenn an parallelen Phasen an sich keine Überspannung auftritt. Die Leistungsfähigkeit der einzelnen Schutzpfade ist daher stark abgesenkt. Die Zündung aller Funkenstrecken erfolgt zudem relativ langsam, da das Lichtbogenplasma in der gemeinsamen Kapselung diese vollständig füllen muss, bevor die entsprechenden Pfade der Funkenstrecken ansprechen. Bei einer sogenannten 3+1-Verschaltung kann daher kein niedriger Schutzpegel sichergestellt werden.
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Aus der
DE 404 870 A ist eine Anordnung von Funkenstrecken, dort als Luftleerspannungssicherungen bezeichnet, vorbekannt, wobei die Funkenstrecken Hilfselektroden aufweisen.
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Die Hilfselektroden sind direkt oder indirekt miteinander verbunden, so dass eine zugeführte Spannung eine zweite, parallel geschaltete Funkenstrecke zum Ansprechen bringt. Auch dort gilt es, die parallele Ableiteranordnung gleichzeitig zu zünden.
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Die Ableiter selbst sind entweder ungetriggert ausgeführt oder besitzen im Ableitzweig eine Induktivität, die einen Impuls für den parallel geschalteten Ableiter generiert. Die entsprechende Induktivität, ausgebildet als Spule, muss entsprechend stoßstromfest ausgeführt werden.
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Hierdurch ergibt sich der Nachteil der festen Potentialanbindung der Hilfselektroden sowie die notwendige Stoßstromfestigkeit der eingesetzten Spulen bzw. Induktivitäten. Diese Induktivitäten erhöhen darüber hinaus den Spannungsabfall über dem Ableiter. Bei entsprechender direkter Potentialanbindung zünden die Ableiter gemäß
DE 404 870 A grundsätzlich gleichzeitig, und zwar unabhängig von der Höhe der jeweils anliegenden Überspannung.
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Grundsätzlich beschränken die maximalen Baugrößen, die Materialbelastbarkeiten sowie die speziellen Anforderungsprofile die Stoßstrom- und Blitzstrombelastbarkeiten von Funkenstrecken. Insofern lässt sich durch die Parallelschaltung von Funkenstrecken das Ableitvermögen erhöhen.
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Werden getriggerte Funkenstrecken parallel geschalten, wird eine erste Funkenstrecke gezündet, wenn eine Überspannung einen bestimmten Ansprechwert überschreitet. Der Ansprechwert wird über eine Ansteuerung im Zündhilfskreis und bezogen auf eine durch den Abstand einer Zündelektrode zur Hauptelektrode vorgegebenen Zündspannung eingestellt. Bei Zündung bildet sich in der betreffenden Funkenstrecke ein Lichtbogen aus. Die Ansteuerung über die Zündelektrode wird in diesem Fall stromlos.
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Eine parallel geschaltete Funkenstrecke wird erst dann gezündet, wenn die Spannung des Gesamtlichtbogens der zunächst betrachteten primären Funkenstrecke die eingestellte Ansprechspannung der zweiten Funkenstrecke erreicht.
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Eine ausreichend hohe Spannung des Gesamtlichtbogens kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden. Diesbezüglich kommen entweder spezielle Funkenstrecken mit sehr hoher Bogenspannung zum Einsatz oder es muss durch eine Induktivität im Ableiterzweig eine Spannung erzeugt werden, die sich zur Bogenspannung der Funkenstrecke addiert und somit die notwendige Gesamtspannung zum Zünden der zweiten Funkenstrecke erreicht.
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Wird wie im eingangs geschilderten Stand der Technik eine Verbindung zwischen den Zünd- und Hilfselektroden vorgenommen, ist es möglich, beide Funkenstrecken auch ohne Verwendung spezieller Funkenstrecken mit hoher Bogenspannung zu zünden. Wird eine erste Funkenstrecke wie geschildert gezündet, zündet auch die zweite, parallel geschaltete Funkenstrecke sofort durch. Aufgrund der Verbindung der beiden Zünd- und Hilfselektroden muss die Ansteuerung der zweiten Funkenstrecke nicht separat aktiviert werden. Unabhängig von der Impulsstromstärke zünden alle parallel geschalteten Funkenstrecken gleichzeitig, so dass auch eine Alterung beider Funkenstrecken eintritt.
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Aus der US 2009 / 0 154 044 A1 ist eine Überspannungsableiteranordnung mit mehreren parallel geschalteten Funkenstrecken vorbekannt, wobei bei dieser Lösung alle Funkenstrecken gleichzeitig getriggert werden.
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Aus der
EP 1 628 378 B1 ist eine Überspannungsschutzvorrichtung mit parallel geschalteten Funkenstrecken vorbekannt, wobei jedoch dort Zündelektroden nicht mit einem spannungsabhängigen Schaltelement verbunden sind.
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Die gattungsbildende
WO 2007/031 850 A2 hingegen zeigt Anordnungen mit parallelen Funkenstrecken, wobei die parallel geschalteten Funkenstrecken entweder nicht getriggert sind oder bei denen Trigger- bzw. Zündelektroden unmittelbar miteinander verbunden werden.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterententwickeltes Überspannungsschutzsystem für ein-, drei- oder mehrphasige Stromversorgungsnetze anzugeben, welches aus getriggerten Funkenstrecken besteht, wobei die Funkenstrecken zwei Hauptelektroden und eine Zündelektrode aufweisen. Gemäß der Aufgabenstellung der Erfindung soll eine Zündung der Funkenstrecke(n) nur im Bedarfsfall bei hohen Belastungen erfolgen. Damit soll eine unerwünschte Alterung der ansonsten zwangsweise mitgezündeten Funkenstrecken wirksam verhindert werden.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt jeweils mit der Merkmalskombination der Patentansprüche 1, 3 oder 4, wobei der Unteranspruch eine zweckmäßige Ausgestaltung und Weiterbildung darstellt.
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Erfindungsgemäß wird nach Anspruch 1 ein gezieltes, bedarfsweises Zuschalten einer weiteren der parallel geschalteten Funkenstrecken dadurch erreicht, dass die Zündelektroden der Funkenstrecken über ein spannungsabhängiges Schaltelement verbunden sind.
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Hierdurch zündet die weitere Funkenstrecke nur dann, wenn der Ansprechwert aus der Reihenschaltung aus spannungsabhängigem Schaltelement und der Zündstrecke der Zündelektrode der weiteren Funkenstrecke erreicht ist.
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Als spannungsabhängiges Schaltelement kann insbesondere ein Gasentladungsableiter oder ein Thyristor eingesetzt werden.
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Durch die Parameter der jeweils einzusetzenden Gasentladungsableiter oder Thyristoren, ist das Ansprechen der weiteren, parallel geschalteten Funkenstrecke in einem weiten Bereich einstell- und vorgebbar.
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Durch die Verbindung der Zündelektroden der parallel geschalteten Funkenstrecken über das erwähnte spannungsabhängige Schaltelement findet quasi eine Entkopplung der Zündelektroden und eine Einstellung der Ansprechspannung statt, so dass, wie bereits dargelegt, parallel geschaltete Funkenstrecke nur im Bedarfsfall bei hohen Belastungen, d.h. hohen Impulsströmen gezündet werden. Dadurch kann der Verschleiß der Funkenstrecken, die im Überspannungsschutzsystem eingesetzt werden, insgesamt reduziert werden.
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Bei einem dreiphasigen Netz gemäß Anspruch 3 ist für jede Phase eine getriggerte Funkenstrecke vorgesehen und es sind die Zündelektroden der Funkenstrecken untereinander über je ein spannungsabhängiges Schaltelement verbunden.
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In Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist für einen Betrieb in mehrphasigen Netzen zur wahlweisen Erhöhung des Gesamtableitvermögens für jede Phase eine Parallelschaltung von drei getriggerten Funkenstrecken mit jeweils untereinander über je ein spannungsabhängiges Schaltelement verbundenen Zündelektroden einsetzbar, derart, dass phasenverschiebungsbedingte Wiederzündungen der Funkenstrecken vermieden werden können.
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Die Erfindung sollnachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
- 1 ein Prinzipschaltbild der Parallelschaltung von zwei Funkenstrecken FS1 und FS2 mit Zündelektroden, welche durch ein Steuerelement C, z.B. einen Gasentladungsableiter oder einen Thyristor, verbunden sind für ein einphasiges Netz;
- 2 eine Darstellung einer Lösung eines Überspannungsschutzsystems für den Einsatz im dreiphasigen bzw. Drehstromnetz, ebenfalls unter Nutzung der Verbindung der Zündelektroden der Funkenstrecken über spannungsabhängige Schaltelemente C, und
- 3 ein Prinzipschaltbild der Anordnung von Funkenstrecken gemäß 2 als gruppenweise Parallelschaltung für ein mehrphasiges Netz, wobei jede Gruppe mit einer der Phasen L1, L2 oder L3 verbunden ist.
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Gemäß der Darstellung nach 1 wird zunächst von zwei parallel geschalteten Funkenstrecke FS1 und FS2 ausgegangen.
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Die Funkenstrecken weisen zwei gegenüberliegende Hauptelektroden sowie eine Zünd- bzw. Triggerelektrode auf.
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Die Funkenstrecke FS1 wird dann gezündet, wenn eine anliegende Überspannung einen bestimmten Ansprechwert überschreitet.
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Dieser Ansprechwert wird über die Ansteuerung A und die Zündspannung U2 eingestellt. In diesem Fall bildet sich in der Funkenstrecke FS1 ein Lichtbogen aus.
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Die Spannung des Gesamtlichtbogens der durchgezündeten Funkenstrecke FS1 setzt sich aus Teilspannungen U1 und U2 zusammen.
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Die Funkenstrecke FS2 mit dort vorgesehener Ansteuerung B zündet erst dann durch, dann die Spannung U2 an der ersten Funkenstrecke FS1 so hoch ist, dass der Ansprechwert der Reihenschaltung aus dem spannungsabhängigen Schaltelement C, z.B. einem Gasentladungsableiter und der Zündstrecke U4 der Funkenstrecke FS2, die z.B. als Gleitstrecke ausgebildet sein kann, erreicht wurde.
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Durch den beispielhaften Einsatz eines Gasentladungsableiters als Schaltelement C mit entsprechender Ansprechspannung lässt sich daher der Zündpegel der parallelen Funkenstrecke FS2 in weitem Rahmen einstellen.
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Durch Einsatz des Schaltelements C werden die parallel geschalteten Funkenstrecke FS2 lediglich belastungsabhängig zugeschalten.
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Ein energiereicher Blitzstoßstrom bewirkt einen Lichtbogen mit hoher Lichtbogenspannung in der Funkenstrecke FS1. Dies wiederum bewirkt eine hohe Lichtbogenteilspannung U2. Erst dann, wenn diese einen bestimmten Wert übersteigt, wird über das Schaltelement C die parallele Funkenstrecke FS2 gezündet. Damit teilt sich der energiereiche Blitzstoßstrom auf die parallel geschalteten FS1 und FS2 auf. Dieses vorstehend erläuterte Grundprinzip ist auf weitere Parallelschaltungen zusätzlicher Funkenstrecken erweiterbar.
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Bei der Prinzipdarstellung nach 2 wird von einer Anordnung mehrerer Funkenstrecken FS1 bis FS3 für ein Drehstromnetz ausgegangen.
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Ziel ist es, die Funkenstrecken nicht parallel zu betreiben, sondern getrennt an den einzelnen Phasen.
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Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 erfolgt durch die Schaltelemente C eine Entkopplung der Trigger- bzw. Zündpotentiale der Funkenstrecken FS1, FS2 und FS3.
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Ohne die erfindungsgemäße Entkopplung der Triggerpotentiale durch das spannungsabhängige Schaltelement würden mit hoher Wahrscheinlichkeit alle Funkenstrecken im Falle eines Überspannungsereignisses gezündet.
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Eine Lichtbogenlöschung ist nur dann erfolgreich vollzogen, wenn die betreffenden Schaltstrecken der wiederkehrenden Spannung ohne Wiederzündung standzuhalten vermögen. Im Augenblick des Stromnulldurchgangs ist die Leistungszufuhr für den Lichtbogen zwar unterbrochen, allerdings ist die Funkenstrecke, insbesondere der Lichtbogenbrennraum, noch immer mit heißem, hochleitfähigem Plasma gefüllt.
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Würde man die Zünd- bzw. Triggerpotentiale nicht entkoppeln, käme es aufgrund der niedrigen Ansprechspannung U2L1, U2L2 oder U2L3 und der im Drehstromnetz vorhandenen Phasenverschiebung zu Wiederzündungen der jeweiligen Funkenstrecken.
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Durch die in der Figur gezeigte Verbindung der Zündelektroden der Funkenstrecken FS1 bis FS3 über die spannungsabhängigen Schaltelemente C wird das ansonsten auftretende Wiederzünden bzw. die Gefahr eines Wiederzündens reduziert.
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Die erfindungsgemäße quasi gesteuerte Kopplung der Zünd- oder Triggerpotentiale schafft die Möglichkeit, die notwendige maximale Blitzstoßstromfestigkeit der eingesetzten einzelnen Funkenstrecken FS1 bis FS3 zu reduzieren, da ein großer Gesamtblitzstoßstrom sich sowohl im Einphasen- als auch Mehrphasensystem gleichmäßig auf die einzelnen Funkenstrecken aufteilt. Hierdurch können kostengünstigere Funkenstrecken zur Anwendung kommen.
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Neben der Möglichkeit, ein mehrpolig ausgeführtes Überspannungsschutzsystem einpolig zu betreiben, damit die parallel geschalteten Funkenstrecken sehr hohe Blitzstoßströme ableiten können, kann, wie in der 3 dargestellt, auch eine Parallelschaltung von drei Funkenstrecken FS1 bis FS3 mit entsprechend ausgeführter Kopplung über ein spannungsabhängiges Schaltelement als Gruppe zum Einsatz in dreiphasigen Netzen kommen.
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Gemäß der Darstellung nach 3 liegt eine Gruppe mit drei parallel geschalteten Funkenstrecken mit jeweils über ein spannungsabhängiges Schaltelement verbundenen Zündelektroden (Gruppe G1) an L1. Die Gruppe G2 liegt an L2 und die Gruppe G3 an L3.
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Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzsystem bietet im Vergleich zum Stand der Technik zusammengefasst folgende Vorteile. Die Trennung der Zünd- und Triggerpotentiale über ein spannungsabhängiges Schaltelement in einem Dreiphasensystem vermeidet ein Wiederzünden einer der Funkenstrecken, die eigentlich ihren Lichtbogen bereits gelöscht hatte. Grundsätzlich brennen bei gleichzeitiger Zündung aller Funkenstrecken in einem Dreiphasensystem Lichtbögen in den entsprechenden Lichtbogenkammern. Die zeitliche Verschiebung der Phasen bewirkt, dass immer zwei der Funkenstrecken direkt unter Spannung stehen und somit die notwendigen Potentiale vorhanden sind, was ohne die erfindungsgemäße Lehre zu einem Wiederzünden führt.
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Durch das Entkoppeln der Zündelektroden der Funkenstrecken über spannungsabhängige Schaltelemente ist sichergestellt, dass eine Funkenstrecke nur dann anspricht, wenn auch tatsächlich an ihr eine abzuleitende Überspannung auftritt. Ein unnötiges Zünden von Funkenstrecken mit sich daraus ergebendem Elektrodenabbrand bzw. Verschmutzung der Isolationsstrecken, wird vermieden, so dass sich insgesamt die Lebensdauer der eingesetzten Funkenstrecken als Überspannungsableiter erhöht.
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Da Funkenstrecken die höchste Leistungsfähigkeit dann aufweisen, wenn sie einzeln betrieben und optimiert werden können, ist es von Vorteil, in einer Parallelschaltung die entsprechenden Funkenstrecken räumlich zu trennen und die Dimensionierung der Funkenstrecken je nach geplantem Einsatz vorzunehmen. So ist beispielsweise eine hohe Lichtbogenspannung für eine hohe Leistungsfähigkeit bei Netzfunkenstrecken vorteilhaft. Funkenstrecken, die zwischen N und PE eines Netzes eingesetzt werden, weisen hingegen eine extrem kleine Lichtbogenspannung auf. Funkenstrecken mit diesen an sich unterschiedlichen Eigenschaften können kombiniert werden, wobei ein derartiges vorkonfektioniertes Überspannungsschutzsystem ausgeliefert und vor Ort entsprechend den örtlichen Einspeisegegebenheiten verschaltet werden kann. Der Hersteller der entsprechenden Überspannungsschutzsysteme liefert eine diesbezügliche Anleitung mit, wie die Einspeiseklemmen zu verdrahten sind, wenn z.B. ein Drei-Phasen-, ein Zwei-Phasen- oder ein Ein-Phasennetz vorhanden ist. Durch entsprechendes Brücken der Klemmen werden alle Strompfade versorgt.
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Durch Brücken der Phasen durch die Monteure vor Ort in Ein- oder Zwei-Phasennetzen werden die Phasen des Überspannungsschutzsystems, welches normalerweise direkt hinter den Einspeiseklemmen angeordnet wird, parallel geschalten. Die erfindungsgemäße gesteuerte Kopplung der Zünd- bzw. Triggerpotentiale schafft die Möglichkeit, die erwähnte maximale Blitzstromfestigkeit der einzelnen Funkenstrecken zu reduzieren, wobei sich ein großer Gesamtblitzstoßstrom gleichmäßig auf die einzelnen Funkenstrecken aufteilen kann.
