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Überspannungsschutzeinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine
überspannungsschutzeinrichtung für elektrische Geräte und Anlagen. Sie ist besonders
geeignet, Reihenkondensatorbatterien in elektrischen Kraftleitungen gegen überspannungen
zu schützen, die durch anomal große Ströme bei Fehlern in der Leitung verursacht
werden.
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Bei Auftreten eines Erd- oder Kurzschlusses in einer Kraftleitung
wird der Strom in der fehlerhaften oder in den fehlerhaften Phasen anomal groß.
Wenn die Leitung mit Reihenkondensatoren ausgerüstet ist, veranlassen die hohen
Ströme in diesen überspannungen, die die Kondensatoren beschädigen, wenn die Spannungen
nicht auf mäßige Werte begrenzt werden. Um die Kondensatoren gegen überspannungen
dieser Art zu schützen, ist es bekannt, jeder Kondensatorbatterie eine Funkenstrecke
parallel zu schalten, die bei einer bestimmten, für die Überspannung zugelassenen
Grenze zündet, und einen Kurzschlußschalter, dessen Betätigung durch den Lichtbogenstrom
ausgelöst wurde. Dieser Schalter macht die Funkenstrecke unmittelbar nach der Zündung
stromfrei.
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Die Entlastung der Funkenstrecke hat einen doppelten Zweck. Man vermeidet
einerseits das Brennen der Funkenstrecke und ermöglicht andererseits ihre Entionisierung
und Kühlung, so daß sie ihre normale dielektrische Festigkeit wieder erhält, wenn
der Strom in der Leitung auf den normalen Wert abfällt und die Kondensatorbatterie
wieder eingeschaltet wird.
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Es ist klar, daß eine wirksame Verbesserung der Schutzeinrichtung
für eine Reihenkondensatorbatterie dann erhalten werden kann, wenn die Funkenstrecke
imstande ist, die großen Ströme auszuhalten, die um die Batterie herumgeführt werden
müssen, und zwar für lange Zeiträume mit einer aufrechterhaltenen Festigkeit der
Zündspannung und mit einer Löschspannung, die größer als die Spannung über der Kondensatorbatterie
bei normalem Strom in der Kraftleitung ist. Eine solche ideale Funkenstrecke braucht
nicht durch einen Nebenschlußschalter kurzgeschlossen zu werden, und die Kondensatorbatterie
wird so unmittelbar wieder eingeschaltet, wenn eine überspannung verschwindet, was
wichtig für die Stabilität der Kraftleitung ist. Will man der Funkenstrecke die
gewünschten Eigenschaften geben, so ist es möglich, von einer bekannten Funkenstreckenkonstruktion
auszugehen, bei der der Lichtbogen durch ein magnetisches Feld gezwungen wird, sich
schnell längs der Elektrodenflächen zu bewegen, so daß diese nicht schmelzen können.
Bei der Ausbildung der Elektrodenflächen und des magnetischen Feldes. in der Weise,
daß der Bogen sich längs eines geschlossenen Weges bewegt, kann eine unbegrenzte
Bewegungszeit bei geringen Abmessungen der Elektroden erreicht werden, aber, wie
festgestellt, steht die Forderung nach einer festen und niedrigen Zündspannung im
Gegensatz zu der Forderung für hohe Rückzündspannung. Wenn eine Zündstelle zwischen
die beiden Hauptelektroden eingeführt wird, wurde festgestellt, daß sie an einer
Stelle größtmöglichster Feldstärke liegen muß, um sicherzustellen, daß der Bogen
von der Zündstelle aus fortgetrieben wird, bevor diese beschädigt wird. Wenn der
Bogen der maximalen Feldstärke folgt, so wird er durch oder nahe durch die Zündstelle
gehen, und zwar jedesmal, wenn er einmal den geschlossenen Weg zurückgelegt hat.
Die Zündstelle wird aus diesem Grunde ionisiert und auf hoher Temperatur gehalten,
so daß die Löschspannung und die Wiederzündungsspannung der Funkenstrecke sehr niedrig
werden.
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Erfindungsgemäß ist bei einer überspannungsschutzeinrichtung mit zwei
Elektroden, zwischen denen eine Zündstelle für die Einleitung der Zündung des Lichtbogens
angeordnet ist und dieser selbst nach der Zündung durch ein magnetisches Feld gezwungen
wird, sich längs der Elektrodenoberfläche und in einem geschlossenen Wege zu bewegen,
ein Schirm aus Isoliermaterial nahe der Zündstelle so angeordnet, daß der Lichtbogen
auf einen die Zündstelle nicht berührenden geschlossenen Weg abgelenkt wird.
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Die überspannungsschutzeinrichtung erhält so besondere Vorteile vom
konstruktiven Standpunkt aus, wenn die Hauptelektroden aus ebenen, kreisförmigen
Metallscheiben
mit zentralen Löchern hergestellt und diese auf einem rohrförmigen Isolator zusammen
mit scheibenförmigen Spulen angeordnet werden, um ein magnetisches Feld mit- einer
axialsymmetrischen, radialen Komponente zwischen den Hauptelektroden zu erzeugen
Auf diese Weise können mehrere Spalte in einer Reihe in Serienschaltung angeordnet
werden.
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Die Art der Ausführung der Erfindung sowie die mit ihr erreichten
Vorteile sind. im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben..- In dieser zeigen
Fig. 1 und 2 zwei verschiedene Schnitte durch eine überspannungsschutzeinrichtung
gemäß der .Erfindung.
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i. :-In Fig. 1- bezeichnen--10 und 11 zwei Leiter, die mit einem nicht
gezeichneten Gerät oder mit einer Kraftleitung verbunden sind, die gegen Überspannung
geschützt -werden soll, z. B. mit einer Reihenkondensatörbatterie. Die Leiter 10
und 11 sind über Zuleitungen 12 und 13 mit der überspannungssehutzeinrichtung verbunden,
sie enthält drei in Reihe geschaltete Funkenstrecken, die aus kreisförmigen Elektrodenscheiben
14 bis 21 'aufgebaut sind und Zündelektroden 25 bis 30 haben. Die Elektroden-Scheiben
haben zentrale Löcher und sitzen gleitend auf einem Isolierrohr 52 zusammen mit
scheibenförmigen Spulen 44 bis 47. Diese haben äußere Isolierringe 42 und isolierende,
scheibenförmige Trennwände 48, 49. Der. sich so ergebende Satz wird durch einen
Eisenbolzen 53 zusammengepreßt, der in dem Rohr 52 sitzt, und durch Muttern 56,
Druckringe 55 und Isolierringe 54. Zwischen jedem Paar der isolierendenr Trennwände:48,
49 sitzt ein Metallring 43. Die scheibenförmigen .Spulen 44 bis 47 sind, wie Fig.
1 zeigt, schraubenförmig aus Kupferband mit einer Isolationslage aus Papier od.
dgl. gewickelt, sie können auch in anderer Weise hergestellt sein. Jede Spule ist
zwischen einem Paar scheibenförmiger Elektroden angeordnet, von denen' sie durch
isolierende Ringe 51 getrennt sind. Die inneren und äußeren Enden der Spulen sind
mit je einer der Elektroden verbunden, die mit winkelförmigen Verbindungsklemmen
34.bis 41 versehen sind.
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Bei Auftreten einer Überspannung genügender Größe an den Leitern 10
und 11 tritt ein Überschlag zwischen den ZündeIektrodenpaaren 25, 26; 27, 28 und
29.-30 auf, so daß. ein Strom von dem Leiter 10
durch die Verbindungsmittel
12 zur Elektrodenscheibe 14 und von dort über die Verbindungsklemme 34 zu dem äußeren
Ende der Spule 44 fließt. Der Strom. verläßt die Spule 44 an der Verbindungsklemme
35 der Elektrodenscheibe 15 mit der ZündeIektrode 25 und geht über einen Lichtbogen
zur Elektrodenscheibe 16 --mit der Zündelektrode 26 und von dort. über= die Verbindungsklemme
36 zu dem inneren Ende der Spule 45. In der gleichen Weise geht der Strom zwischen
den Elektrodenscheiben abwechselnd durch Spulen 45, 46, 47 und über Lichtbögen zwischen
den Elektrodenscheiben 17, 18 und 18, 19 und verläßt -am Ende die überspannungsschutzvorrichtung
über die Elektrode 21 und geht über die Zuleitung 13 zum Leiter 11.
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In dem Spalt zwischen den Elektrodenscheiben 15, 16,17,18 und 19,
20 -entstehen magnetische Felder, die im wesentlichen axialsymmetrisch sind und
starke radiale Komponenten haben, wenn die Spulen 44 bis 47 Strom führen.
-Auf Grund der Tatsache, daß die Spulen 44 bis 47 abwechselnd so angeordnet
sind, daß der Strom. einmal von der Außenseite zur Mitte und zum anderen von dieser
zur Außenseite fließt, wie es aus der Anordnung der Verbindungsklemmen 34 bis 41
folgt, werden die radialen Feldkomponenten von zwei benachbarten Spulen in dem Spalt
zwischen dem scheibenförmigen Elektrodenpaar zwischen den Spulen addiert, während
die axialen Komponenten der Spulen sich einander aufheben. Die Spulen 44 bis 47
sind so angeordnet, daß ein im Leiter 10 eintretender Strom ein radiales, nach innen
gerichtetes Feld zwischen den Elektrodenpaaren 15, 16, ein radial nach außen gerichtetes
Feld zwischen dem Elektrodenpaar 17, 18 und ein radial nach innen gerichtetes Feld
zwischen dem Elektrodenpaar 19, 20 erzeugt.
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Ein beispielsweise zwischen den Zündelektroden 25, 26 entstehender
Lichtbogen wird in bekannter Weise durch eine elektromagnetische Kraft beeinflußt,
die proportional dem Strom durch den Lichtbogen und der magnetischen Feldkomponente
rechtwinklig zum Lichtbogen ist und rechtwinklig zu dem Bogen und zu dem magnetischen
Feld wirkt. Wenn der Bogen axial und das magnetische Feld radial gerichtet ist,
wird diese Kraft-auf den Bogen in taugen.. tialer Richtung einwirken, so daß der
Bogen gezwungen wird, sich nach außen aus der Zeichenebene der Fig. 1 heraus, zu
bewegen. In der gleichen Weise wird ein Lichtbogen zwischen den Elektrodenscheiben
17 und 18 sich in die Zeichenebene hineinbewegen und ein Lichtbogen zwischen den
Elektrodenscheiben 19, 20 wird sich aus der Zeichenebene herausbewegen, und zwar
unmittelbar nachdem der Lichtbogen zwischen den Zündelektroden 27, 28 bzw. 29, 30
entstanden ist. Da die Zündelektroden 25 bis 30 einen allmählichen Übergang -von
der Zündstelle, wo die Spaltbreite gering ist, zu dem Elektrodenscheibenpaar aufweisen,
wo die Spaltbreite größer ist, so können die Bögen leicht die Zündstellen verlassen,
und sie werden, da die elektromotorische Kraft die Bögen ständig in tangentialer
Richtung beeinflußt, versuchen, entlang der Elektrodenoberfläche einem geschlossenen
Weg zu folgen.
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Um das Einbrennen der Zündelektroden zu vermeiden, müssen .die Bögen
veranlaßt werden, sich schnell von den Zündstellen zu entfernen. Die Bewegung wird
durch die erwähnte Formgebung der Zündelektroden erleichtert, aber die Bewegung
ist stets zuverlässiger und schneller, je stärker die radiale Komponente des magnetischen
Feldes an der Zündstelle ist. Eine wirksame, radiale Feldkomponente ist dsrch die
beschriebene Konstruktion und Anordnung der Spulen sichergestellt;- da der Eisenbolzen
53 als wirksamer Rückweg für den magnetischen Fluß dient. Damit das Feld schnell
nach der Zündung des Bogens aufgebaut werden kann, haben die Elektrodenscheiben
15 bis 20 radiale Schlitze, diese verhindern das Entstehen von kreisförmigen, das
Feld auslöschenden Wirbelströmen. Die Stärke der radialen Feldkomponente ändert
sich, wie bekannt, mit dem Abstand von der Achse des Elektrodensystems, einmal,
weil der Fluß eine größere Zylinderfläche durchfließt, wenn der Abstand zunimmt,
und zum anderen, weil die radialen, magnetisierenden Amperewindungen abnehmen, wenn
man sich dem inneren Teil der Spule nähert. Es besteht demnach ein übliches, sehr
breites Maximum des radialen Feldes im wesentlichen dort, wo die Zündelektroden
nach Fig. 1 angeordnet sind.
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In der gezeigten Anordnung ist jede Vorsorge getroffen, den Lichtbogen
gegen das Festsetzen an der
Zündstelle zu schützen, der Abbrand
der Zündelektroden ist auch nach einer großen Zahl von Zündungen vernachlässigbar.
Der Bogen wird jedoch, wie erwähnt, nach der Zündung versuchen, sich längs eines
kreisförmigen Weges zu bewegen, der sehr stabil ist, wenn der Bogen sich längs des
maximalen, radialen Feldes bewegt. In dem Fall, daß der Abstand zwischen den Elektrodenscheiben
frei ist, wird der Bogen zu dem Zündpunkt zu gewissen Zeitabständen zurückkehren,
so daß die Zündstelle nicht entionisiert und gekühlt werden kann. Nach der Erfindung.
ist aber ein Schirm aus Isoliermaterial so zwischen den Elektrodenflächen angebracht,
daß der Lichtbogen nicht die dielektrische Stärke der Zündstelle beeinflussen kann.
Dieser Schirm besteht bei dem Ausführungsbeispiel aus den isolierenden Trennwänden
48, 49, deren Form aus der Fig. 2 hervorgeht, die einen Schnitt durch die
Achse des Elektrodensystems nach Linie A-A in Fig. 1 zeigt.
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In Fig. 2 ist die Elektrodenscheibe 16 mit den radialen Schlitzen
57 gezeigt, die in geeigneter Weise mit isolierendem Werkstoff ausgefüllt sind,
weiter die Zündelektrode 26 und die isolierende Trennwand 49. Ferner ist der Eisenbolzen
53 und das Isolierrohr 52 im Querschnitt gezeigt und eine Seitenansicht des Isolationsringes
42, der die Spule 45 umgibt und den Überschlag der Lichtbögen von einer Funkenstrecke
zur anderen verhindert. Einem solchen Überschlag, der die Löschspannung herabsetzen
würde, wird weiter durch die Lichtbögen in den benachbarten Spalten entgegengewirkt,
die sich in verschiedener Richtung bewegen, wie zuvor angegeben. Aus der Fig. 2
geht hervor, daß die isolierende Trennwand 49 so geformt ist, daß sie die Bewegung
des Bogens nach der Achse hin begrenzt. In der Nähe der Zündelektrode 26 bildet
die isolierende Trennwand 49 einen spiralförmigen Kanal, außerhalb des Lichtbogenweges
in der Bewegungsrichtung des Bogens, der in Fig. 2 entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn
gerichtet ist. Der Bogen wird so gezwungen, auf einem Weg mit größerem Durchmesser
zu rotieren als dem, der dem Abstand der Zündstelle von der Achse entspricht. Wenn
der Bogen die Zündstelle passiert, ist diese durch die Zunge 50 der Isolierwand
49 gegen die ionisierende Ausstrahlung und gegen die Lichtbogengase geschützt, die
Zündstelle wird entionisiert und schnell gekühlt, so daß die Rückzündungsspannung
hoch wird.
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Wenn der Bogen durch die isolierende Wand 49 nach außen gezwungen
wird, trifft er einen Metallring 43 und wird so in zwei kürzere Bögen geteilt. Hieraus
folgt eine gesteigerte Kühlung des Bogens und aus dieser eine hohe Löschspannung.
Eine hohe Löschspannung kann auch in bekannter Weise erreicht werden, wenn der Metallring
43 durch einen isolierenden Ring ersetzt wird, der eine Expansion des Bogens erzwingt.
Ein derartiger isolierender Ring kann an der Austrittsstelle des spiralförmigen
Kanals in die isolierenden Trennwände offen ausgebildet sein, so daß die Bewegung
des Bogens entlang der Elektrodenflächen nicht gestört wird.
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Um Unsymmetrien zu vermeiden, die sich aus der ersten Zündung der
Bögen ergeben können, erhält die überspannungsschutzvorrichtung eine Anordnung zur
gleichmäßigen Aufteilung der Spannung auf die Funkenstrecken. Diese kann z. B. durch
hochohmige Widerstände erreicht werden, die zwischen den Elektroden angeordnet sind.
In Fig. 2 sind zwei solche Widerstände 58, 59 im Schnitt gezeigt. Sie sind in Löchern
der isolierenden Trennwände 48 und 49 angeordnet. Die Genauigkeit der Zündung kann
weiter dadurch verbessert werden, wenn eine oder mehrere Funkenstrecken mit einer
Auslöseeinrichtung bekannter Art verbunden ist.
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Die beschriebene Anordnung ist sowohl für den Schutz von Gleichstromgeräten
wie von Wechselstromgeräten geeignet, da die Bewegungsrichtung des Lichtbogens unabhängig
von der Polarität des Stromes ist. Bei Änderung der Stromrichtung ändert auch das
magnetische Feld seine Richtung, so daß die elektromagnetische Kraft auf den Bogen
ungeändert bleibt. Wenn Wechselstrom durch die Spulen 44 bis 47 fließt, können eine
oder mehrere kurzgeschlossen sein, da ein Strom in diesen Spulen durch das Feld
der benachbarten Spulen induziert wird und dieser Strom ein Feld von gewünschter
Größe und Richtung erzeugt. Eine kurzgeschlossene Spule kann ganz öder teilweise
aus einem Kupferring oder aus einem Ring aus anderem oder gutleitendem Material
bestehen.