DE1513173A1

DE1513173A1 - Gesteuerter Funkenstrecken-UEberspannungsableiter

Info

Publication number: DE1513173A1
Application number: DE19651513173
Authority: DE
Inventors: Lee Thomas Henry; Liao Tseng Wu
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-12-10
Filing date: 1965-12-10
Publication date: 1969-08-07

Description

Gesteuerter Funkenstrecken-Überspannungsableiter. Die Erfindung bezieht sich. auf einen gesteuerten Funkenstrecken-Überspannungsableiter zum Schutz einer Gleichstrom-Leistungsanlage vor den Folgen von vorübergehenden Überspannungen. Im besonderen betrifft sie eine verbesserte Steuer- oder Auslösevorrichtung, die sowohl bei Überspannungen niedriger Frequenz als auch. bei Überspannungen hoher Frequenz ein Zünden des Überspannungsableiters bewirkt: Ein üblicher gesteuerter Funkenstrecken-Überspannungsableiter enthält zwei beabstandete Hauptelektroden, die eine Funkenstrecke bilden, und eine Steuervorrichtung, die einen Überschlag der Strecke bewirkt, wenn die Steuervorrichtung mit einer bestimmten Mindestspannung beaufschlagt wird.. Die Steuervorrichtung enthält gewöhnlich eine Zünd- oder Steuerelektrode, die bei der einen Hauptelektrode angeordnet, aber von dieser isoliert ist, so daß zwischen der Zündelektrode und dieser -einen Hauptelektrode eine Zündfunkenstrecke gebildet wird. Wenn an der Zündfunkenstrecke eine ausreichende Spannung auftritt, entsteht ein Funke, aus dem geladene Teilchen in die Hauptfunkenstrecke gelangen, die in der Hauptfunkenstrecke einen Überschlag einleiten.
Bei vielen Kreisen muß die Zündvorrichtung sowohl bei hochfrequenten als auch bei niederfrequenten Überspannungen sicher ansprechen, also z.B. sowohl bei Blitz-Überspannungen, die relativ hohe Frequenzen enthalten, als auch bei Schaltüberspannungen, die im Vergleich mit Blitz-Überspannungen verhältnismäßig niederfrequent sind.
Eine bei niederfrequenten Überspannungen, wie z.B. Schaltüberspannungen, sehr wirksame Zündvorrichtung enthält einen Transformator mit einer Primärwicklung, die von der Schaltüberspannung erregt wird, und einer Sekundärwicklung, die in den Kreis mit der Zündelektrode geschaltet ist. Wenn die Primärwicklung von der Schaltspannung erregt wird, liefert die Sekundärwicklung des Transformators an die Zündelektrode einen Spannungsimpuls, der die Zündfunkenstrecke sicherer Zündet . als die Schaltüberspannung selbst. Zündvorrichtungen dieser Art sprechen zwar auf überspannungen von verhältnismäßig niedriger Frequenz, zum Beispiel auf Schaltüberspannungen sicher an, sie werden jedoch von hochfrequenten Überspannungen, wie z.B. Blitz-Überspannungen, gefährdet, insbesondere besteht die Gefahr, daß die Transformatorisolation, wenn sie nicht extrem stark ist, von hochfrequenten Überspannungen beschädigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Zündvorrichtung für einen Überspannungsableiter zu schaffen, die den Durchbruch der Funkenstrecke sowohl bei niederfrequentenals auch bei hochfrequenten Überspannungen sicher einleitet, ohne durch hochfrequente Überspannungen beschädigt zu werden.
Weiterhin soll durch die Erfindung eine außergewöhnlich schnell ansprechende Zündvorrichtung angegeben werden, welche die Hauptfunkenstrecke auch bei Blitz-Überspannungen verhältnismäßig niedriger Amplitude im geschützten. Kreis zu zünden vermag. Ein gesteuerter Funkenstrecken-Überspannungsableiter für einen Gleichstromkreis mit zwei Leitern entgegengesetzter Polarität, mit im Abstand voneinander angeordneten Hauptelektroden, die elektrisch mit den Leitern verbunden sind und jeweils einen Lichtbogen-Zünd- oder Entstehungsteil und einen Lichtbogen-Laufteil unmittelbar am Lichtbogen-Entstehungsteil enthalten, und mit einer Zündanordnung, die einen Transformator mit Primär-und Sekundärwicklungen enthält, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Zündanordnung eine nahe bei einer der Hauptelektroden derart .angeordnete Zündelektrode enthält, daß zwischen den Lichtbogen-Entstehungsteilen der Hauptelektroden ein Lichtbogen entsteht wird, wenn die Zündanordnung durch eine Überspannung bestimmter Mindestamplitude im Gleichstromkreis erregt wird, und daß die Sekundärwicklung bezüglich Primärwicklung so gepolt ist, daß bei Erregung der letzteren durch eine Überspannung im Gleichstromkreis ein Spannungsimpuls von entgegengesetzter Polarität als diese Überspannung an der Sekundärwicklung auftritt und an die sekundärseitige Zündelektrode gelegt wird.
Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Überspannungsableiters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, der an einen zu schützenden Gleichstrom-Leistungskreis geschaltet ist; Fig. 2 einen Querschnitt durch den Ableiter gemäß Fig. 1 in einer Ebene 2-2 in Fig. 3; Fig. 3 einen Querschnitt in einer Ebene 3-3 in Fig. 2; Fig. 4 einen Querschnitt in einer Ebene 4-4 in Fig. 3; Fig. 4a eine graphische Darstellung bestimmter Spannungsverläufe; Fig.-5 eine schematische Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 6 einen Querschnitt in einer Ebene 6-6 in Fig. 5.
In Fig. 1 ist ein Gleichstromkreis gezeigt mit einer positiven Sammelschiene 10, einer negativen Sammelschiene 12@und einer an die Sammelschienen angeschlossenen Halbleiter-Gleichrichter-Anlage 14, die diese mit Gleichstromleistung versorgt. Wie erwähnt, können entweder hochfrequente Überspannungen, wie sie durch Blitzschlag verursacht werden können, oder verhältnismäßig niederfrequente Überspannungen, wie sie durch Schaltvorgänge erzeugt werden können, an den Sammelschienen 10, 12 auftreten, und diese Überspannungen könnten die Halbleiteranlage 14 beschädigen, wenn nicht ein geeigneter Schutz vorgesehen ist.
Zum Schutz der Anlage 14 vor solchen Überspannungen dient ein Überspannungsableiter 16. Dieser ist mit einer Klemme 17 an die positive Sammelschiene 10 und mit einer gegenüberliegenden Klemme 18 an die negative Sammelschiene 12, vorzugsweise über einen Widerstand 20, angeschlossen. Der Widerstand 20 ist ein nichtlinearer Widerstand, vorzugsweise aus einem Material mit negativer Widerstands-Strom-Charakteristik hergestellt (etwa aus dem von der General $lectric Company unter der Markenbezeichnung Thyrite verkauften Material).
Der dargestellte Ableiter 16 hat ein geschlossenes Gehäuse 21, welches ein vorzugsweise im wesentlichen aus Wasserstoff bestehendes Löschgas enthält. Im Gehäuse 21 sind zwei im Abstand voneinander angeordnete Hauptelektroden 22 und 24 vorgesehen, die zwischen sich eine Entladungs- oder Funkenstrecke 25 bilden, an der Lichtbögen entstehen können. Die Elektroden sind vorzugsweise halbkreisförmig gestaltet und die eine Elektrode 22 umfaßt die andere Elektrode 24. Die Krümmungsmittelpunkte der beiden Elektroden sind gegeneinander versetzt, so daß die Länge der Entladungsstrecke 25 an einem Ende der Elektroden verhältnismäßig kurz ist und sich in Richtung zum anderen Ende längs der Elektroden stetig vergrößert. Im folgenden werden ein Raumbereich 25a, in dem der Elektrodenabstand am kleinsten ist, als Lichtbogen-Entstehungsbereich, die Teile der Elektroden im Lichtbogen-Entstehungsbereich 25a als Lichtbogen-Entstehungsteile und die anderen Elektrodenteile als Lichtbogen-Laufteile bezeichnet. In Reihe mit den Elektroden 22 und 24 sind zwei lichtbogenantreibende Spulen 28 und 30 geschaltet, eine zwischen die Anschlußklemme 17 und die Elektrode 22 und die andere zwischen die Anschlußklemme 18 und die Elektrode 24. Diese Spulen dienen dazu, magnetische Felder zum Antrieb des zwischen den Hauptelektroden 22 und 24 gebildeten Lichtbogens zu erzeugen, wie noch genauer erklärt werden wird. Zum Zünden eines Bogens zwischen den Hauptelektroden 22 und 24 ist eine erste Zündelektrode 132 angrenzend an den Lichtbogen-Entstehungsbereich der Hauptelektrode 24 vorgesehen. Diese Zündelektrode 132 ist von der Hauptelektrode 24 durch einen Streifen Isoliermaterial 134 von hoher Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise aus Bariumtitanat, getrennt. Wenn eine Spannungswelle bestimmter Mindestamplitude zwischen der Zündelektrode 132 und der Hauptelektrode 24 auftritt, wird die elektrische Feldstärke in der Nähe der Ränder des Isolierstoffs 134 auf Grund von dessen hoher Dielektrizitätskonstante erhöht und an einer Zündfunkenstrecke 133 zwischen der Zündelektrode und der Hauptelektrode 24 springt ein Funke über. Die vom Funken erzeugten positiven Ionen verzerren das elektrische Feld zwischen den beiden Hauptelektroden 22 und 24 und erniedrigen zwischen diesen die Durchbruchspannung auf einen Wert, der niedriger ist als die zwischen den Hauptelektroden anliegende Spannung, so daB im Bogenentstehungsbereich der beiden Hauptelektroden 22 und 24 ein Lichtbogen entsteht. Der Strom durch den Lichtbogen fließt auch durch die lichtbogenantreibenden Spulen 28 und 30 und erzeugt ein Magnetfeld, das den Lichtbogen in Richtung eines Pfeils 35 (Fig. 1) antreibt, wie noch genauer erläutert wird. Zum Anlegen einer Spannungswelle an die Zündelektrode 132 beim Auftreten einer Überspannung an den Sammelschienen 10,12 dient ein Transformator 100 mit Eisenkern, der eine Primärwicklung 102 und eine Sekundärwicklung 104 besitzt. Die Primärwicklung 102 ist in Reihe mit einem Kondensator 106, der elektrisch zwischen der Primärwicklung und der einen Sammelschiene 10 liegt, zwischen die Sammelschienen 10, 12 geschaltet. Ein Ende der Sekundärwicklung 104 ist mit der negativen Sammelschiene 12 und das entgegengesetzte Ende über einen Leiter 105 mit der Zündelektrode 132 verbunden. Somit ist die Zündfunkenstrecke 133 praktisch der Sekundärwicklung 104 parallel geschaltet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Sekundärwicklung 104 so geschaltet, daß, wenn die Primärwicklung 102 von einer Überspannung bestimmter Polarität an der Sammelschiene 10 erregt wird, am Transformatorausgang und somit am Leiter 105 und an der Zündelektrode 132 eine Spannungswelle von entgegengesetzter Polarität auftritt. Diese einander entgegengesetzten Polaritäten sind durch ein Plus- und ein Minuszeichen an den benachbarten Enden der Transformatorwicklungen 102 und 104 angedeutet. Aus verschiedenen Gründen gewährleistet die Einschaltung des Transformators 100 bei der oben beschriebenen Zündvorrichtung eine wirksamere Zündung eines Überschlags an der Hauptfunkenstrecke, wenn auf der Sammelschiene 10 eine Überspannung auftritt. Einer dieser Gründe ist, daß der Transformator 100 die Überspannung hochtransformiert und an seiner Sekundärwicklung daher eine höhere Spannung auftritt, als an seiner Primärwicklung anliegt. Somit ist die von der Sekundärwicklung 104 an die Zündfunkenstrecke 133 angelegte Spannung höher als die an der Sammelschiene 10 auftretende Überspannung selbst, und_diese höhere Spannung ist selbstverständlich leichter in der Lage, an der Zündfunkenstrecke und infolge davon an der Hauptfunkenstrecke einen Überschlag hervorzurufen. Ein zweiter Grund, warum der Transformator 100 das Hervorrufen eines Überschlags in der Hauptfunkenstrecke erleichtert, ist die gegensätzliche Polarität zwischen seiner Eingangsspannung und seiner Ausgangsspannung. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß, wenn der negative Impuls ursprünglich an die Triggerelektrode 132 auf eine positive Überspannung an der Sammelschiene 10 hin angelegt wird, die Hauptelektrode 24 das Potential der negativen Sammelschiene 12 besitzt, da zwischen der Hauptelektrode 24 und der negativen Sammelschiene 12 kein Strom fließt. Wenn der negative Impuls einen Zusammenbruch der Zündfunkenstrecke 133 verursacht, fällt das Potential der Hauptelektrode 24 schnell auf im wesentlichen den. Wert des negativen Potentials der Zündelektrode, da die Impedanz der Spule 30 und des Widerstands 20, die zwischen der Hauptelektrode 24 und der negativen Sammelschiene 12 angeordnet sind, ermöglicht, daß die Hauptelektrode 24 hinsichtlich der Sammelschiene 12 für eine kurze Zeitspanne negativ wird. Während,dieser kurzen Zeitspanne besitzt die andere Hauptelektrode 22 ein hohes positives Potential, das im wesentlichen gleich dem Potential der die positive Überspannung fUhrenden Sammelschiene 10 ist, da diese Elektrode 22 direkt mit der Sammelschiene 10 verbunden ist und noch kein bemerkenswerter Strom durch die Spule 28 fließt. Die resultierende Spannung zwischen den Elektroden 22 und 24 an der Hauptfunkenstrecke 25 ist der arithmetischen Summe dieser beiden Momentanspannungen gleich, so daß eine sehr hohe Spannung unmittelbar an der Hauptfunkenstrecke 25 auftritt die den Überschlag an der Hauptfunkenstrecke nach dem Durchbruch der Zündfunkenstrecke beschleunigt. Diese arithmetische Summe ist bei-X in Fig. 4a dargestellt, wo die Spannungen an den verschiedenen Teilen gerade vor dem Überschlag an der Zündfunkenstrecke dargestellt sind.
Hätte die Ausgängsspannung des Transformators 100 die gleiche Polarität wie das Eingangssignal, so wäre die unmittelbar nach dem Zusammenbruch der Zündfunkenstrecke an der Hauptfunkenstrecke auftretende Spannung nur gleich der arithmetischen Differenz der Momentanspannungen für die beiden Hauptelektroden 22 und 24. Da diese Spannungsdifferenz viel geringer ist als die oben beschriebene arithmetische Summe, würde sie die Hauptfunkenstrecke weniger leicht zum Überschlag bringen als die resultierende Spannung, wenn der negative Impuls zur Zündung verwendet wird. Zwar treten in der Spannung der unteren Hauptelektrode 24 kurz nach dem Zusammenbruch der Zündfunkenstrecke Schwingungen auf und diese Schwingungen würden in der Folge zu wesentlich höheren Spannungen an der Hauptfunkenstrecke führen, aber die oben beschriebene Zündvorrichtung mit entgegengesetzter Polarität braucht nicht auf solche Schwingungen zu warten und kann einen extrem schnellen Überschlag an der Hauptfunkenstrecke bewirken.
Der mit der Primärwicklung 1021n Reihe geschaltete Kondensator 106 hat den Zweck, ein ständiges Fließen von Gleichstrom durch die Primärwicklung und damit eine Sättigung des Kernes des Transformators 100 durch den von einem solchen Strom erzeugten Fluß zu verhindern. Dies erlaubt die Verwendung eines kleineren Kerns für den Transformator 100.
Die oben beschriebene Zündvorrichtung mit dem Transformator 100 hat, wenn sie als einzige Zündvorrichtung verwendet wird, den Nachteil, verhältnismäßig anfällig für Beschädigung durch hochfrequente Blitz-Überspannungen, die an der Sammelschiene 10 auftreten, zu sein. Infolge der Zeitverzögerung, die naturgemäß in der Arbeitsweise des Transformators liegt, können solche hochfrequenten Überspannungen an der Primärwicklung 102 sehr hohe Werte erreichen, bevor ein nennenswerter Impuls an der Sekundärwicklung 104 entsteht.
Wenn der Transformator nicht mit besonders starker und teuerer Isolation gebaut ist, können hochfrequente Überspannungen an der Primärwicklung die Transformatorisolation beschädigen, bevor ein für den Zusammenbruch der Hauptfunkenstrecke ausreichender Sekundärimpuls entstanden ist.
Zum Schutz des Transformators 100 vor Beschädigungen durch solche hochfrequente-Überspannungen wird eine zweite Zündvorrichtung mit einer zweiten Zündelektrode 32 vorgesehen. Die zweite Zündelektrode 32 ist neben der ersten Zündelektrode 132 und der Hauptelektrode 24 angeordnet, ist aber von beiden durch das Isoliermaterial 134 isoliert (Fig. 4). Ein dieser zweiten Zündelektrode 32 zugeführter Impuls zündet an einer Zündfunkenstrecke

Zünd

33 zwischen der Welggerelektrode 32 und der Hauptelektrode 24,

in der gleichen Weise einen Überschlag, wie es oben in Verbindung mit der ersten Zündelektrode 132 beschrieben wurde. Beim Zünden der Zündfunkenstrecke 33 gelangen in die Hauptfunkenstrecke 25 geladene Teilchen, die einen Überschlag an der Hauptfunkenstrecke 25 in der gleichen Weise einleiten, wie es oben an Hand der ersten Zündfunkenstrecke 132 beschrieben wurde. Um Überspannungen, welche an den Sammelschienen 10, 12 auftreten, an die zweite Zündelektrode 32 anzulegen, ist diese mit der Sammelschiene 10 über einen kleinen Kondensator 36 verbunden. Im normalen oder stationären Zustand ist die Zündelektrode 32 durch den Kondensator 36 von der Sammelschiene 10 im wesentlichen getrennt. Tritt jedoch ein Überspannungsimpuls an der Sammelschiene 10 auf, so stellt der Kondensator für diesen Impuls eine niedrige Impedanz dar und der größte Teil der Impulsspannung wird an der Zündfunkenstrecke 33 zwischen der Zündelektrode 32 und der Hauptelektrode 24 auftreten. Die Höhe der am Kondensator 36 abfallenden Spannung ändert sich mit dem Kehrwert von f . C, wobei f die Frequenz der Überspannung und C die Kapazität des Kondensators 36 sind. Aus Kostengründen ist ein Kondensator 36 von niedriger Kapazität erwünscht. Vorzugsweise wird die Kapazität des Kondensators 36 so niedrig gewählt, daß die Spannung an diesem Kondensator nur bei relativ hochfrequenten Überspannungen vernachlässigbar klein ist. Da bei hochfrequenten Überspannungen praktisch keine Spannung am Kondensator 36 abfällt, tritt im wesentlichen die gesamte Überspannung an der Zündfunkenstrecke 33 auf und kann diese zum Überschlag bringen, so daß der Zusammenbruch der Hauptfunkenstrecke eingeleitet wird. Bei niederfrequenten Überspannungen an der Sammelschiene 10 fällt ein viel höherer Prozentsatz solcher Überspannungen am Kondensator 36 und somit ein viel kleinerer Prozentsatz an der Zündfunkenstrecke ab. Der Kondensator 36 ist vorzugsweise so klein, daß niederfrequente Überspannungen nicht genügend Spannung an der Zündfunkenstrecke entwickeln, um dort einen Überschlag hervorzurufen, außer wenn diese niederfrequenten Überspannungen sehr viel höher als der erwünschte Spannungs-Schutzpegel sind. Zum Zünden der Hauptfunkenstrecke bei niederfrequenten Überspannungen dient die erwähnte erste Zündvorrichtung mit dem Transformator 100. Wie oben erklärt, kann diese Zündvorrichtung Überschläge bei niederfrequenten Überspannungen irgendeiner gewünschten niedrigen Höhe einleiten. Hochfrequente Überspannungen, die über die zweite Zündelektrode 32 wirken, können in genügend kurzer Zeit einen Überschlag der Zündfunkenstrecke 33 und der Hauptfunkenstrecke 25 bewirken, um das Auftreten einer übermäßig hohen Spannung an der Primärwicklung 102 des Transformators 100 durch die hochfrequente Überspannung zu verhindern. Wenn die Hauptfunkenstrecke 25 überschlägt, entsteht über sie ein Stromweg niedriger Impedanz, der dem Transformator 100 parallelgeschaltet ist und die an diesem abfallende Spannung begrenzt und schnell herabsetzt, so daß der Transformator vor -.einer Beschädigung durch die Überspannung geschützt wird. Zwischen die zweite Zündelektrode 32 und die Hauptelektrode 24 ist ein Widerstand 42 geschaltet. Dieser Widerstand 42 hat im Vergleich zum Isolationswiderstand des Kondensators 36 einen sehr niedrigen Widerstandswert. Der Zweck dieses Widerstandes 42 ist es, die Zündelektrode 32 und die Hauptelektrode 24 auf wenigstens annähernd gleichem Potential zu halten, solang sie im normalen oder stationären Zustand sind, also wenn keine Überspannung zwischen den Sammelschienen 10 und 12 vorhanden ist. In diesem Zustand besteht ein hochohmiger Strompfad zwischen den Sammelschienen 10 und 12, der hintereinander geschaltet den Isolationswiderstand des Kondensators 36, die Parallelschaltung von Widerstand 42 und Isolationswiderstand der Zündfunkenstrecke 33, den Widerstand der Spule 30 und den Widerstand 20 enthält. Die Widerstände 42 und 20 und die Spule 30 haben verglichen mit dem Isolationswiderstand des Kondensators 36 einen sehr niedrigen Widerstandswert. So liegt fast die ganze stationäre Spannung am Kondensator 36 und praktisch nichts davon am Widerstand 42, und insofern auch nichts an der ZündfunkenstreckE 33, die parallel zum Widerstand 42 liegt. Es ist wtinschenswert, die Zündfunkenstrecke von der stationären Spannung zu trennen, um eine Verschlechterung der Zündfunkenstrecke und mögliche falsche Überschläge zu vermeiden. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Hauptelektroden 22 und 24 zwischen zwei Isölierstoffplatten 45 montiert, die als Seitenwände für die Entladungsstrecke 25 zwischen den Elektroden dienen. Diese Platten 45 sind im Bereich der Entladungsstrecke 25 im wesentlichen nicht durchbrochen und verlaufen im ganzen parallel zur Längsachse der zwischen den Elektroden 22 und 24 brennenden Lichtbögen. Die Platten 45 sind aus einem Material hergestellt, das sehr wenig Gas entwickelt, wenn es einem Lichtbogen ausgesetzt wird, z.B. aus Aluminiumsilikat. Die Platten 45 werden durch geeignet e,Befestigungsmittel gegen die gegenüberliegenden Ränder der Elektroden 22 und 24 gedrückt, etwa durch isolierende Bolzen 47, die in Abständen voneinander längs des äußeren Umfangs der Platte 45 angeordnet sind. Die isolierenden Bolzen 47 erstrecken sich durch fluchtende Löcher in den Isolierstoffplatten 45 und sind in eine Abschlußkappe 48 des Gehäuses 21 geschraubt. Jeder Bolzen 47 wird zwischen den Platten 45 von einem Abstandshalter 49 aus Isolierstoff umgeben, der den von den Bolzen 47 ausgeübten Anpreßdruck begrenzt. Weiterhin wird jeder Bolzen 47 von einer Hülse 50 umgeben, die die Isolierstoffplatten 45 an der Abschlußkappe 48 abstützen. Die Spulen 28 und 30 zur Erzeugung des lichtbogenantreibenden Magnetfeldes sind-an den Außenseiten der Isolierstoffplatten 45 angebracht. Jede dieser Spulen ist vorzugsweise kreisförmig ausgebildet, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist., und die Hälfte des Umfangs jeder Spule ist etwa in Deckung mit der halbkreisförmigen äußeren Elektrode 22 angeordnet. Die Spulen sind so in den Stromkreis geschaltet, daß ein den Ableiter durchfließender Strom beide Spulen im selben Sinn durchfließt. So entsteht ein Magnetfeld 51, das die beiden Spulen 28 und 30 umgibt und etwa wie in Fig. 2 dargestellt ausgebildet ist. Dieses Magnetfeld 51 erstreckt sich entlang der ganzen Länge der äußeren Elektrode 22 über die Strecke 25 in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht auf der Längsachse eines zwischen den Elektroden 22 und 24 brennenden Lichtbogens steht. Ein quer zu einem Lichtbogen verlaufendes Magnetfeld wirkt bekanntlich mit dem Magnetfeld des Lichtbogens so zusammen, daß der Lichtbogen in eine Richtung rechtwinklig zu seiner eigenen Längsachse und rechtwinklig zur Richtung des angelegten Magnetfeldes angetrieben wird. Die Polarität des angelegten Magnetfeldes wird so gewählt, daß die lichtbogenantreibende Kraft in der Richtung. des Pfeiles 35 (Fig. 1 und 3) verläuft. Wenn also ein Lichtbogen im Lichtbogen-Entstehungsbereich 25a entstanden ist, wird er entlang den Elektroden 22 und 24 in Richtung des Pfeils 35 zum entgegengesetzten Elektrodenende getrieben. Die Bewegung des Lichtbogens in Richtung des Pfeiles 35 in Fig. 1 verlängert zunehmend den Lichtbogen infolge der zunehmend wachsenden Länge der Entladungsstrecke 25. Dieses zunehmende Verlängern des Lichtbogens erzeugt ein zunehmendes Anwachsen der Lichtbogenspannung, was den Lichtbogenstrom zunehmend vermindert. Wenn die Lichtbogenspannung die von der Anlage an die Hauptfunkenstrecke angelegte Spannung überschreitet, fällt der Lichtbogenstrom rasch auf Null ab. Wenn die Energie der Spannungswelle, die den Lichtbogen verursacht hatte, dann bereits im Ableiter verbraucht worden ist, wird.der Lichtbogen gelöscht sein und es erfolgt kein weiterer Zusammenbruch der Funkenstrecke 25, so daß die Anlage wieder ihren normalen Betriebszustand annimmt. Es ist ersichtlich, daß die höchste Lichtbogenspannung entwickelt wird, wenn der Lichtbogen die Enden der Elektroden 22, 24 erreicht hat und sich in seinem mittleren Bereich hinausbiegt, wie in Fig. 3 bei 60 gezeigt ist. In dieser Stellung hat der Lichtbogen seine größtmögliche Länge. Wenn die Überspannungswelle einen hohen Energieinhalt besitzt, Zeitpunkt, wo der Lichtbogen die Stellung 60 in Fig. 3 erreicht, nur ein kleiner Teil der Überspannungsenergie verbraucht sein. Die übrige Überspannungsenergie erzeugt noch einen plötzlichen Spannungsanstieg, der einen Überschlag an der Hauptfunkenstrecke im Lichtbogen-Entstehungsbereich 25a verursacht, so daß wieder ein Lichtbogen zwischen den Hauptelektroden im Lichtbogen-Entstehungsbereich 25a entsteht. Der erste Lichtbogen kann noch brennen oder auch schon verloschen-sein, wenn der zweite zündet, aber jedenfalls verschwindet er bei dessen Entstehung. Der zweite Lichtbogen wird, wie sein Vorgänger, in Richtung des Pfeils 35 in die Stellung 60 getrieben, wodurch sich die Lichtbogenspannung erhöht und der Lichtbogenstrom schnell auf Null abfällt. Gerade bevor oder sobald der Strom den Wert Null erreicht, ruft die von der übrig gebliebenen Überspannungsenergie herrührende Überspannung einen dritten Lichtbogen im Lichtbogen-Entstehungsbereich 25a hervor. Der-zweite Lichtbogen-verschwindet und der dritte verhält sich in der gleichen Weise wie sein Vorgänger. Diese Folge von Vorgängen wiederholt sich immer wieder, bis die Energie der Überspannung schließlich vollständig verbraucht ist. Ist diese Energie vollständig vernichtet, so reicht die höchste Spannung des Lichtbogens in Stellung 60 nicht aus, um einen weiteren Durchbruch im Lichtbogen-Entstehungsbereich 25a zu verursachen, und die Funkenstrecke verhindert damit weiteren Stromfluß. Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, die besonders auch für die Ableitung von Blitz-Überspannungen geschaffen wurde. Der eine Blitz-Wanderwelle begleitende Strom durch einen Ableiter umfallt zwei Komponenten: (1) Einen Blitz-Entladungsstrom, der von der Blitz-Überspannungswelle stammt und (2) einen Folgestrom, der aus dem Netz stammt und anschließend an den Blitz-Entladungsstrom durch den Ableiter fließt. Die Höhe des Blitz-Entladungsstromes ist weitgehnd unabhängig von der Impedanz des Ableiters und kann deshalb sehr hohe Werte erreichen. Wenn ein Lichtbogen mit extrem hohem Strom aus dem Lichtbogen-Entstehungsbereich 25a in Richtung des Pfeils 35 getrieben würde,'wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 beschrieben wurde, so würde eine übermäßig hohe Lichtbogenspannung entwickelt werden. So gesehen, ist der Entladungspfad zwischen den. Elektroden 22 und 24 links vom Lichtbogen-Entstehungsbereich 25a in Fig. 5 der gleiche wie beim Ableiter gemäß Fig. 1 bis 4 und hat deshalb eine verhältnismäßig hohe Impedanz. Bei Lichtbögen mit niedrigem Strom, wie z.B. Schaltspannungs-Lichtbögen, ist diese hohe Impedanz erwünscht, denn sie ermöglicht eine schnelle Erhöhung der Lichtbogenspannung, um den Schaltspannungs-Strom auf Null zu bringen. Das Fließen von Schaltspannungs-Strom über diese relativ hohe Impedanz erzeugt keine übermäßigen Spannungen am Ableiter, denn der Schaltspannungs-Strom ist relativ niedrig und wird durch die verhältnismäßig hohe Impedanz des Ableiters begrenzt. Aber Blitz-Entladungsströme sind viel höher und im wesentlichen unabhängig von der Ableiterimpedanz. Wenn also ein hoher Blitz-Entladungsstrom über den Pfad mit der hohen Impedanz links 25b im Ableiter abfließen würde, träten übermäßige Spannungen am Ableiter auf, die die Gleichrichteranlage 14 beschädigen könnten. Um das Entstehen solch übermäßiger Spannungen zu verhindern, werden Lichtbögen mit hohen Blitz-Entladungsströmen aus dem linken Raumbereich 25b des Ableiters ferngehalten und stattdessen vom Lichtbogen-Entstehungsbereich 25a in einen Raumbereich 25c rechts vom Lichtbogen-Entstehungsbereich angetrieben. Der rechte Raumbereich 25c des Ableiters ist für eine verhältnismäßig niedrige Impedanz ausgelegt. Daher. erzeugt der Durchgang des hohen Blitz.-Entladungsstroms über diesen Pfad keine übermäßigen Spannung am Ableiter. Der rechte Teil 25c des Ableiters hat im Vergleich mit dem linken Teil 25b dadurch eine verhältnismäßig niedrige Impedanz, daß der Abstand zwischen den seitlichen Isolierstoffplatten 45 in diesem Raumbereich 25c relativ groß ist,-verglichen mit dem Abstand im Raumbereich 25b. Dieser relativ große Abstand zwischen den seitlichen Isolierstoffplatten 45 ermöglicht einem in diesem Raumbereich 25c brennenden Lichtbogen, seinen Querschnitt zu vergrößern und sich zu verteilen und somit mit einer viel niedrigeren Lichtbogenspannung zu brennen. Dieser Raumbereich 25c mit seinem relativ großen Abstand zwischen den seitlichen Isolierstoffplatten 45 bildet also einen Pfad mit niedriger Impedanz für dort hineingetriebene Lichtbögen mit, die einen Blitz-Entladungsstrom führen. Zum Antreiben eines durch einen Blitzschlag verursachten Lichtbogens mit hohem Strom in der Richtung eines Pfeiles 37 (Fig. 5) vom Lichtbogen-Entstehungsbereich 25a in den Raumbereich 25c mit niedriger Impedanz wird die untere Spule 30 durch Überbrücken (auf eine bald beschriebene Weise) unwirksamgemacht, so daß das Magnetfeld der oberen Spule 28 den Blitz-Entladungsstrom-Lichtbogen antreibt. Da das Feld dieser oberen Spule 28 nach seiner Polarität Lichtbögen in der Richtung des Pfeils 37 zu treiben sucht, wird der Blitz-Entladungsstrom-Lichtbogen also in Richtung des Pfeiles 37 angetrieben. Die Spule 28 hat nur einen kleinen Prozentsatz der Windungszahl von Spule 30 und ihre lichtbogenantreibendes Feld wird normalerweise vom entgegengesetzt wirkenden Magnetfeld der Spule 30 vollkommen überwogen. Aber wenn die Spule 30 unwirksam ist,-kann das- Magnetfeld der oberen Spule einen im Lichtbogen-Entstehungsbereich gebildeten Lichtbogen nach rechts antreiben. Obwohl die Spule 28 nur einige wenige Windungen hat, kann sie wegen der Größe des sie durchfließenden Blitzstroms ein genügend hohes Magnetfeld erzeugen, um den Blitzstrom-Lichtbogen wirksam anzutreiben.
Es ist sehr erwünscht, daß diese Spule 28 eine minimale Windungszahl hat, da dies ihre Impedanz auf einen ausreichend niederen Wert beschränkt, so daß der Blitzstrom keinen übermäßigen Spannungsabfall an ihr erzeugen kann.
Um die andere Spule 30 während der Zeit, zu der Blitz-Entladungsstrom durch den Ableiter fließt, unwirksam zu machen, ist eine überbrückende Funkenstrecke 70 parallel zur Spule 30 vorgesehen. Da sowohl die Größe als auch die Änderungsgeschwindigkeit,des Blitz-Entladungsstroms erheblich sind und da die Spule 30 eine verhältnismäßig hohe Windungszahl besitzt, steigt die vom Blitzstrom an der Spule 30 erzeugte Spannung schnell auf einen hohen Wert an. Diese steil ansteigende Spannung wird verwendet, um die spulenüberbrückende Funkenstrecke 70 zum Überschlag zu bringen, über die daraufhin der Blitzstrom fließt. Die spulenüberbrückende Funkenstrecke 70 ist für niedrige Impedanz gegenüber dem Blitzstrom ausgelegt, so dafl er an ihr nur relativ niedrige Spannungen erzeugt.
Die spulenüberbrückende Funkenstrecke 70 besitzt im Abstand voneinander angeordnete Elektroden 72 und 7¢, die einen Lichtbogenraum 75 zwischen sich bilden, und eine lichtbogenantreibende Spule 78, um einen in der Funkenstrecke 75 brennenden Bogen,in der Richtung eines Pfeils 77 anzutreiben.
Der Lichtbogen in der spulenüberbrückenden Funkenstrecke 70 erlischt, wenn der Blitz-Entladungsstrom auf einem bestimmten Wert abgefallen ist, welcher den im wesentlichen völligen Verbrauch der Energie der Blitzüberspannung anzeigt. Der Folgestrom, der dann danach fließt, nimmt seinen Weg eher durch die Spule 30 als über die Funkenstrecke 70, weil die Spule 30 für den Folgestrom angesichts dessen niedriger Änderungsgeschwindigkeit eine sehr niedrige Impedanz darstellt, viel niedriger als die der spulenüberbrückenden Funkenstrecke 70; also fließt nach den Durchgang des Blitz-Entladungsstroms im wesentlichen der gesamte Folgestrom durch die .Spule 30.
Sobald die Spüle 30 von Folgestrom durchflossen wird, erzeugt sie das zuvor beschriebene Magnetfeld, das den Lichtbogen in der Hauptfunkenstrecke 25 in Richtung des Pfeiles 35 antreibt. Der Lichtbogen in der Hauptfunkenstrecke 25 führt dann Folgestrom. Dieser Lichtbogen wird vom Magnetfeld der unteren Spule 30 in den linken Raumbereich 25b der Punkenstrecke 25 getrieben, wo der-Zwischenraum zwischen den Isolierstoffplatten klein ist. Dies führt zur Entwicklung einer höheren Lichtbogenspannung und einer höheren wirksamen Impedanz, wodurch der Strom durch den Ableiter auf Null herabgesetzt wird und eine Neubildung des Lichtbogens verhindert wird, genau in der gleichen Weise, wie,es oben im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 4 beschrieben wurde. Es ist kennzeichnend für den Lichtbogen, der nach dem Durchgang von Blitz-Entladungsstrom Leistungs-Folgestrom führt, daß er sogar vor Erreichen der Stellung 60 gemäß Fig. 3 bei seiner ersten Bewegung durch den Lichtbogen-Laufbereich 25b verlöschen kann.
Der Ableiter gemäß Fig. 5 enthält im wesentlichen dieselben beiden Zündvorrichtungen wie der Ableiter gemäß Fig. 1 bis 4, und entsprechende Teile dieser Zündvorrichtungen sind mit demselben Bezugszeichen bezeichnet. Die hochfrequenten Flitz-Überspannungen leiten einen Lichtbogen an der Entladungsstrecke 25 des Überspannungsableiters dadurch ein, daß sie sie mittels der Zündvorrichtung 32, 36 zünden. Die relativ niederfrequenten Schaltspannungen leiten einen Bogen an der Entladungsstrecke 25 des Überspannungsableiters dadurch ein, daß sie sie mittels der Zündvorrichtung 132, 100 triggern.
Wenn die Hauptfunkenstrecke infolge eines Spannungsimpulses durchbricht, der auf die hochfrequente Blitz-Überspannung hin über die Zündvorrichtung 32, 36 angelegt wird, wird der anfänglich gebildete Bogen in den Niederimpedanz-.
Raumbereich 25c des Ableiters rechts vom Lichtbogen-Entstehungsbereich getrieben. Nachdem der Blitzstrom verbraucht ist, wird der Folgestrom führende Lichtbogen in den Raumbereich 25b des Ableiters mit relativ hoher Impedanz getrieben, um eine hohe lichtbogenspannung zu entwickeln, die den Bogen löscht.
Wenn die Hauptfunkenstrecke infolge eines Spannungsimpulses, der auf eine relativ niederfrequente Überspannung, wie z.B. eine Schaltspannung hin über die Zündvorrichtung 100, 132 angelegt wird, überschlägt, wird der ursprünglich gebildete Lichtbogen nach links in den Raumbereich 25b mit relativ hoher Impedanz angetrieben, um schnell eine Lichtbogenspannung zum Verlöschen des Lichtbogens aufzubauen, wie oben beschrieben wurde.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1.) Gesteuerter Funkenstrecken-Überspannungsableiter für einen Gleichstromkreis der zwei-Sammelschienen entgegengesetzter Polarität enthält, mit zwei voneinander beabstandeten Hauptelektroden, die elektrisch mit den Sammelschienen verbunden sind und jeweils einen Lichtbogen-Entstehungsteil und einen Lichtbogen-Laufteil neben dem -Lichtbogen-Entstehungsteil enthalten, und mit einer Zündvorrichtung, die einen Transformator mit Primär- und Sekundärwicklungen und eine mit der Sekundärwicklung verbundene Zündelektrode enthält,-die direkt neben einer der Hauptelektroden angeordnet ist und einen Lichtbogen zwischen den Lichtbegen-Entstehungsteilen der Hauptelektroden zündet, wenn die Zündvorrichtung von einer Überspannungswelle am Gleichstromkreis (10, 12) von bestimmter Mindesthöhe erregt wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Sekundärwicklung (104) hinsichtlich der der Primärwicklung (1-02) so gepolt ist, daß der Zündelektrode (132) bei Erregung der Primärwicklung durch eine Überspannung am Gleichstromkreis (10, 12) von der Sekundärwicklung (104) ein Spannungsimpuls einer der Polarität der Überspannung entgegengesetzten Polarität zugeführt wird. 2.) Funkenstrecken-Überspannungsableiter nach Anspruch 1, d a d u r e h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schaltung des greises so aufgebaut ist, daß unmittelbar nach dem Überschlag zwischen der Zündelektrode (132) und der Hauptelektrode (24) die arithmetische Summe der Spannungen des Zündimpulses und der Überspannung zwischen den Elektroden (22, 24) auftritt. 3.) Funkenstrecken-Überspannungsableiter für einen Gleichstromkreis, insbesondere nach Anspruch 1, g e k e n n -z e i c h n e t d ü. r o h eine auf steilflankige überspannüngsimpulse ansprechende Zündvorrichtung mit einem Kondensator (36), der zwischen die Zündelektrode (32) und die andere Hauptelektrode (22) geschaltet ist und eine so kleine Kapazität hat, daß Überspannungen geringer Flankensteilheit, eine niederfrequenzempfindliche Zündvorrichtung, normalerweise jedoch nicht die hochfrequenzempfindliche Zündvorrichtung zum Ansprechen bringen. 4.) Funkenstrecken-Überspannungsableiter nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i o h n e t , daß die niederfrequenzempfindliche Zündvorrichtungzwischen Lichtbogen-Entstehungsteilen der Hauptelektroden (22, 24) einen Lichtbogen entstehen läßt, wenn sie von einer Überspannung auf dem Gleichstromkreis (10, 12) von bestimmter Mindesthöhe* und niedriger Änderungagesobw indigkeit erregt wird. 5.) Funkenstrecken-Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Anordnung (28, Fig. 5) zum Antreiben eines mittels der hachfrequenzempfindlichen Zündvorrichtung eingeleiteten Lichtbogens in einen Raumbereich (25c) relativ niedriger Impedanz und durch eine Anordnung (30) zum Antreiben eines .mittels der niederfrequenzempfindlichen Zündvorrichtung eingeleiteten Licht-Bogens längs der ohne daB diese letzteren Lichtbögen in den Raumbereich (25e) relativ niedriger Impedanz eintreten können.