DE1565993A1

DE1565993A1 - Gleichstromschalter

Info

Publication number: DE1565993A1
Application number: DE19661565993
Authority: DE
Inventors: Bo Breitholtz
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1965-05-26
Filing date: 1966-05-14
Publication date: 1970-03-26
Also published as: US3522472A; CH455003A; GB1148167A

Description

. DiPL.-ING.HELMUTMISSLING _'

DiPL-iNG. RICHARD SCHLEE I0Q3994

PATENTANWÄLTE

t ve* U III υ t	8776	65	1969	5-54
	P 15
		993.
Θ3 QlESSEN, 1 1.8. BISMAHCKSTRASSE 43 TELEfONs CoettO 734OO
M/Sn
Az.:

Allmänna Svenska Blektriska Aktiebolagei:, V ä s t e r a s /Schweden

Grleiohstromsohalter ■

Bei Unterbreellung von induktiven Gleichstromkreisen hat man bisher verschiedene Verfahren angewandt. Nach einem Verfahren vergrößert man die Feldstärke eines Lichtbogens dadurch,· daß man eine forcierte Unterbrechung in Öl oder zwischen isiierten löschschirmen benutzt. Bei niedrigeren Gleichspannungen muß man dabei bereits Lichtbögen von mehreren Metern Länge erzeugen, bevor die Lichtbogenspannung dieselbe Größenordnung wie die Ifetzspannung erreicht. Solche Anordnungen beanspruchen sehr viel Platz und sind praktisch kaum verwendbar*

ITach einem anderen Verfahren bewirkt man einen künstlichen Hulldurchgang, indem man einen geladenen Kondensator über die Kondensatoren eines Wechselstromschalters entlädt. Pur hohe Spannungen würde diese Methode aber enorm große. Kondensatoren , erfordern, was sie aus wirtschaftlichen' Gesichtspunkten praktisch unverwendbar macht.

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BAD ORiGiNAL Ma*·*^^ -2-

Ein weiteres Prinzip ist darauf aufgebaut, daß man ein Ionenventil mit einem Steuergitter verwendet, das normalerweise den Strom des Stromkreises leitet. Parallel mit dem Ionenventil ist ein Widerstand von ungefähr derselben Größenordnung wie die Resistanz des ganzen Kreises eingeschaltet, der derart bemessen ist, daß er den ganzen Strom führen kann. Weiter ist ein großer Kondensator in Reihe mit einem Schalter parallel zum Ionenventil angeschlossen. Bei Betrieb ist der Schalter offen, und die eine Seite des Kondensators ist über einen großen Ladewiderstand am Minuspol des ITetzes angeschlossen, während die andere Seite des Kondensators am Pluspol des ITetzes angeschlossen ist. normalerweise ist also der Kondensator mit der Netzspannung geladen. Wenn der Gleichstromkreis unterbrochen werden soll, wird der Schalter geschlossen, wobei der Kondensator über das Ionenventil entgegengesetzt der Richtung des Stromes entladen wird. Der Kondensator muß somit Hit so großer energie lind so hoher Spannung geladen sein, daß er das Ionenventil während einer so lc-vn&en Zeit stromlos halten kann, daß es Zeit hat zu erlöschen. V/eim diese Zeit 1 ms ist und z.B. ein Kur ζ Schluß strom von 10 IcA bei 250 kV unterbrochen werden soll, erhält der Kondensator die Größenordnung 100 /uS¹. Ein solcher Kondensator bekommt derartige Dimensionen und wird so kostspielig, daß dies Prinzip praktisch. unverwendbar ist.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, um in Verbindung uit der Unterbrechung eines hochgespannten induktiven Stromkreises, vor-

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zugsweise einer Leitung für hochgespannten Gleichstrom, einen Reihenwiderstand in diese einzuschalten und dadurch den Strom des Kreises auf einen so niedrigen Wert zu senken, daß eine Unterbrechung erfeigen kann. Der Widerstand ist mit einem Schaltelement parallelgeschaltet, das so dimensioniert ist, daß es wenigstens während einer kurzen Zeit den ganzen Strom leiten kann. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes, der im wesentlichen den ganzen Strom im Stromkreis führen kann, eines Schaltelements, das wenigstens während einer· kurzen Zeit den ganzen Strom im Stromkreis führen kann, und eines Hilfsschalters be·?· ■ steht, der normalerweise geschlossen ist und den Strom im Strom-

kreis führt, und daß weiter Anordnungen vorhanden sind, die zu Anfang eines Schaltverlaufs den Hilfsschalter öffnen und einen Startimpuls für das Schaltelement erzeugen, so daß dieses mit niedriger Impedanz leitend wird und damit den Strom übernimmt und danach schnell seine Impedanz auf einen Wert erhöht, der viel größer als die Resistanz des Widerstandes ist, so daß der Strom gezwungen wird, durch den Widerstand "zxx fließen und dadurch auf einen so niedrigen Wert herabgesetzt wird, daß der Hauptschalter die 'endgültige Unterbrechung des Stromkreises zustandebringen kann.

Zum Ausschalten von llochleistungsstromlcreisen ist es bekannt, zwei Schalter '"parallel, zu schalten, -von denen der eine als ·

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Vakuumschalter ausgebildet ist und die Stromunterbrechung übernimmt, während der andere der Stromleitung dient und nur beim Unterbrechungsvorgang geöffnet wird, so daß der Strom gezwungen wird, durch den Vakuumschalter zu fließen.

Es sind weiter Wechselstromschalter mit Rohrkontakten bekannt,

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bei denen vor der Trennung der Kontakte ein Plasmastrom erzeugt wird, der beim Trennen der Kontakte zunächst die Stromführung » übernimmt. Der Plasmastrom wird dann durch eine Gasströmung geblasen, so daß beim Stromnulldurchgang ein Abschalten erreicht wird. Beide bekannten Schaltanordnungen arbeiten nicht nach dem Prinzip der Erfindung, nach dem der zu unterbrechende Strom durch Einschalten eines Widerstandes in den Stromkreis auf einen so niedrigen Wert herabgesetzt wird, daß die Unterbrechung des Stromes durch einen Schalter möglich wird, der den vollen Hetzstrom bei der gegebenen Netzspannung nicht unterbrechen kann.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Sehaltschema einer Anordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 bzw. 3 die Spannung bzw. den Strom als Funktion der Zeit während eines SehaltVorganges,

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. 4 und 5 zweiAusführungsformen des -Schaltelemente und

■ " ".,Pig. 6 "bis 12 eine Inderung der Anordnung für stark - -induktive Leitungen.

Bin Gleichstromkreis mit einer,erfindungsgemäßen Anordnung enthält eine Spaimungsquelle Ό" und einen Belastungswiderstand Rv. Die Ieitungsinduktanz ist mit I bezeichnet und "besteht zum wesentlichen Teil aus den in Verbindung mit den Stromrichtern notwendigen Anodendrosseln. Zwischen den Punkten 2 und 3 in der Leitung 1 sind ein Hilfsschalter 4, ein Schaltelement 5 mit regelbarer innerer Impedanz und ein. Widerstand 6 parallel miteinander eingeschaltet. Der Hilfsschalter kann ein Leistungstrennschalter oder ähnlicher Typ sein, so daß er nicht den Stromkreis zu unterbrechen "braucht, sondern nur einen Lichtbogen mit einem mäßigen Lichtbogenspamiungsfall erzeugt. Das Schaltelement 5 kann eine Gasentladungsanordnung sein, in der die Lichtbogenentladung vom Plasmazustandmit einem Bogenspannungsfall von der Größenordnung von einigen 10-20 Volt zu einem Raumladungszustand mit einem sehr großen Bogenspannungsfall regelbar ist. Pur"einen gewissen Typ von solchen Gasentladungsanordnungen gilt·, daß der niedrige Bogenspannungsfall nur aufrechterhalten werden kann, ..-,„ wenn die Bedingung R . η >A erfüllt ist, wobei R der effektive Radius 'der Gasentladungsanordnuiig ist, η die Dichte der neutralen Atome in Gas Und A eine Größe, die vom Typ deijaeutralen Atome im

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Gas und einem eventuell axialen Magnetfeld durch den Sntladungskanal abhängt. Der Bogenspannungsfall der Entladungsstrecke kann folglich durch "Variation von einer oder mehreren der zu der genannten Bedingung gehörenden Größen auf einen gewünschten Wert gesteuert werden. Der effektive Radius der Sntladungsstrecke kann mit Hilfe von "beweglichen Schirmen variiert werden, die als IrisTolenden wirken. Die Dichte der neutralen Atome im Gas kann dadurch variiert werden, da<3 man in der einen oder anderen Weise den Druck der Sntladungsstrecke variiert. Die Größe A kann z.B. mit Hilfe eiiss durch die Entladungs strecke gehenden axialen. Magnetfeldes in gewünschter Richtung "beeinflußt werden.

Die Methode, einen Widerstand parallel mit einer Schaltstrecke einzuschalten, ist "bei gewöhnlichen Wechselstromschaltern "bekannt und auch "bei Stufenschaltern, aber in diesen fällen ist deren Punlction ganz anders* als "bei der vorliegenden 3rfinduii;j.

Bei der in I¹Ig. 4 gezeigten weiteren Variation der Sasentladungsanordnung ist diese an einer Vakuumpumpe hei 10 an^esclilosseii, die normalerweise den Druck irj&er Züntladungs strecke awisohsn der Anode 11 und Kathode 12 so niedrig hält, daß die innere lripedc.xiz sehr hoch und die Strecke nicht leitend ist.

Mit Hilfe einer an der Seite der Entladungsstreoke cureordneten Plasmakanone 13 kann ein Plasma 14 in die Iratladungsstrecke entweder kontinuierlich oder intermittierend eingeführt werden,

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wobei die Entladung bei einer verhältnismäßig niedrigen Spannung zwischen Anode und Kathode gezündet und der Bogenspannungsfall auf einem so niedrigen Viert während einer so langen Zeit gehalten wird, daß die Schaltstrecke im Ililfssehalter Zeit hat, ganz entionisiert zu werden und der Lichtbogen dort gelöscht wird. Die Entladungsanordnung ist an der der Plasmakanone entgegengesetzten Seite mit einer eventuell gekühlten"Kondensationsfläche 15 versehen, an der Ionen und Elektronen rekombiniert werden. Das neutrale Gas wird mit der Vakuumpumpe entfernt.

Die in Fig. 4 geseigte Entladungsanordnung kann auch in der in Fig. 5 gezeigten Weise abgeändert werden. Anode und Kathode sind ringförmig und die Plasmakanone ist so angeordnet, daß sie ein Plasma längs des Entladungsrohres mit einer solchen Frequenz und Impulslänge emittieren kann, daß es immer ein Plasma zwischen der Anode und Kathode gibt. In der rechten Ecke der Anordnung ist eine Kondensations- und Entionisierungsanordnung, wo die Ionen rekombiiiiert werden und das neutrale Gas entweder auf kalten oder Getter-Flächen 15 kondensiert oder durch eine Vakuumpumpe 10 weggepumpt >'ird. Der rechte Teil der Anordnung kann eventuell ein großes Volumen 16 umfassen, damit das Gas, das nicht unmittelbar weggepumpt werden kann, nicht in das Entladungsrohr zurückdringen soll.

Weil man in den zuletzt beschriebenen Anordnungen Gas verwendet, das schon ionisiert ist, wenn es in die Sntladungsstrecke kommt,

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erzeugt, und der Lichtbogenfall ist ausreichend, um einen Ent-

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kann es mit Hilfe der elektromagnetischen Kräfte dazu gebracht *,.' werden, sich viel schneller zu bewegen als nicht ionisiertes · Gas. Die Impedanzänderung der Entladungsanordnung kann dadurch sehr schnell erhalten werden.

Wenn der Stromkreis geschlossen ist, soll die Anordnung eine niedrige Impedanz haben.* Bei Unterbrechung soll ihre Impedanz in kurzer Zeit auf einen hohen, aber endlichen Wert ansteigen, _t ^!

wodurch der Strom auf einen so niedrigen Wert sinkt, daß ein normaler Schalter oder Leistungstrennschalter eineendgültige Unterbrechung zustandebringen-kann, wie zuvor beschrieben ist.

Normalerweise ist der Stromkreis dadurch geschlossen, daß sowohl , .-#*

der Hilfsschalter 4 als auch der Reihenschalter 7 geschlossen , "·

ist. Der Widerstand 6 und auch das Schaltelement 5 haben eine so hohe Resistanz, daß der Strom ganz durch die beidenÄchalter ! 4 und 7 fließt. Ein UnterbrechungsVorgang beginnt damit, daß *' der Hilfsschalter 4 geöffnet wird. Dabei wird ein Lichtbogen

ladungsverlauf durch das Schaltelement 5 zu starten. Der Bogen- 'i spannungsfall im Sehaltelement 5 ist erheblich niedriger als der lichtbogenfall über dem Hilfssohalter, dies hat zur Pplge, daß 4er Lichtbogen über dem Hilfsschalter schnell erlischt und V-der Strom ganz durch das Schaltelement fließt. Sobald der Licht- [ bogen im Hilfsschalter 4 erloschen ist, wird die Impedanz des · *

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Schaltelements nach oben gesteuert, so daß der Bogenspannungs-, fall zunimmt, wodurch ein immer größerer Seil des Stromes durch .·" den ..Widerstand 6 fließt. Damit eine Über schaltung des Stromes vom Schaltelement 5 zum Widerstand 6 erfolgen kann, muß die Impedanz des Schaltelementes viel größer-als die des.Widerstandes werden. Damit die totale Schaltzeit des Gleichstromkreises so kurz wie möglich wird, muß die Impedanz der Anordnung mit der Zeit so. zunehmen, daß die Spannung über ihr die ganze Zeit maximal ist, d.h. gleich der vom Gesichtspunkt der Isolationsfestigkeit aus höchst zugelassenen, was erreicht werden kann, wenn der Widerstand 6 von nicht linearem !Typ ist. In der Regel ist die höchst zugelassene Spannung gleich der doppelten Betriebsspannung.

In Pig. 2 und 3 sind die Spannung und der Strom als I^inktion der Zeit, bei einem ünterbrechungsvorgang gezeigt. Vor der Zeit t=0 herrscht die iäetriebsspannung U^, Sobald der Hilfsbehälter 4 'ö ff net und" das Schaltelement 5 den Strom übernimmt, steigt die Spannung etwas, aber diese Zunahme, die die Größenordnung von ca. 10-30 ToIt hat, ist völlig vernachlässigbar verglichen mit der 3etriebsspannung in der Größenordnung von 100 kV. Zur Seit t=0 steigt die innere Impedanz des Schaltelements, und .nach der Zeittist seine Impedanz so viel gestiegen, daß die totale Impedanz der Anordnung im wesentlichen gleich der Belastung simp:edans ist, was dadurch erreicht wird, daß die Impedanz

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des Widerstandes 6 ungefähr gleich der der Belastungsimpedanz gewählt wird und die Spannung des Systems auf die doppelte Betriebsspannung gestiegen ist, weil der Strom in dieser kurzen Periode nicht Zeit gehabt hat, ilen nennenswert zu verändern. Mit dem Zunahmen der Schaltimpedanz fließt mehr und mehr Strom durch den Widerstand, und zum Schluß ist die Spannung so hoch gestiegen, daß der ganze Strom durch den Widerstand 6 fließt und praktisch gar nicht durch das Schaltelement 5. Damit die Spannung über der Anordnung kon£..>imt ist, wenn der Strom sinkt und eine kurze Schaltzeit ergib'«« muß der Widerstand eine nicht lineare Stromspannungscha,rakteristik haben, !fach der Zeit T ist eine so große Impedanz in den Kreis eingeschaltet worden, daß der Strom auf einen so niedrigen Wert gesunken ist, daS schließlich eine Schaltung mit dem lleihenschalter 7 erlir.lten v/erden kann. Die Punktion des Schaltelexaents 5 ist also die, beim Öffnen des Hilfsschalters 4 den Strom zu übernehmen und ihn danach zum Widerstand 6 unter solchen Bedingungen zu übertragen, daß die Spannung des Systems nicht die zugelassene Schaltspanmmg übersteigt. Sobald der Strom vom Widerstand 6 ubernoiaaen v/orden ist, soll die innere Impedanz des Sehaltelements praktisch unendlich hoch sein können.

Wenn der Parallelwiderstand 6 eins lineare StroE-Spannunröcxiarakteristik hat, wird der Strom nach einem Schaltnsnöver nur halbiert, weil die maximale Resistanz, die eingeschaltet wird, ungefähr gleich der Belastungsresistanz ist, sonst wird die Spannung

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über dem System größer als die doppelte Betriebsspannung. In "einem solchen EaIl ist eine Anzahl von erfindungsgemäßen Anordnungen erforderlich, die hintereinander geschaltet sind, um den Ström auf einen für die endgültige Schaltung annehmbaren Wert zu senken. Wenn der Widerstand dagegen von nicht-linearem Syp 1st, kann der Strom mit einer oder swei Anordnungen von der ßrSßenordnung kA auf einig© Ampere reduziert werden.

Um die Steilheit der Spannung zu verhindern» die über der Anordnung entsteht ,wenn der Strom durch das Schaltelement fließt und der Schalter abgetrennt wird, kasm ein Kondensator parallel mit dem Widerstand angeschlossen werden. Wenn die beiden Impedanzen aus genügend großen Kondensatoren'hestehen,. 28nnen diese den genannten Kondensator ersetzen«

Mit Hilfe dieser Schaltung ist es möglich, fixe Spannung über den "beiden reihengesehalteten Schaltelementen so zu steuern, daß die Überschlagsfestigkeit von wenigstens eiern einen Zeit hat, so schnell zu steigen, daß eine Wiederzündung über der ganaen Schaltstreeke verhindert wird»

Die 0leichstromleitung 1 in Iig„ 6 umfaßt eine Spannungsquelle U, den äquivalenten Belastungswiderstand E^. und die lie itungs induktanz L♦ Die Schaltanordnung ist zwischen zwei Bankten 2 und eingesetzt und enthält eine Anzahl zwischen den genannten Punlcfen parallel angeschlossener Zweige« JSiner dieser Zweige enthält den

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Hilfsschalter 4, ein anderer das Schaltelement 5 in Reihe mit einem Schalter 8, der im folgenden Reihenschalter genannt wird. Diese zwei Schaltelemente sind in einem Punkt 9 zusammengeschaltet. Ein dritter Zweig enthält zwei Impedanzen 10 und 11 in Reihe, und sie sind in einem Punkt 12 zusammengeschaltet. Die Punkte 9 und 12 sind verbunden, so daß sie sich auf demselben Potential befinden. Die Impedanzen 10 und 11 können aus Kondensatoren bestehen oder aus einer Kombination von Kondensatoren und Widerständen. Welcher Typ von Impedanzen verwendet werden soll, hängt von den Eigenschaften der Leitung und der übertragenen Leistung ab und wird von Pail zu Pail bestimmt.

Bei der Anordnung nach Pig, 6 besteht ein vierter Zweig aus einem Kondensator 13, der zur Aufgabe hat, die in der Leitung gespeicherte Energie aufzunehmen, die beim Schaltvorgang frei wird. Wenn die Impedanzen 10 und 11 aus Kondensatoren bestehen und es möglich ist, sie so zu dimensionieren, daß sie außerdem als Spannungsteiler für die zwei reihengeschalteten Schaltelemente 5 und 8 dienen und auch die freigewordene Energie aufnehmen können, kann der Kondensator 13 weggelassen werden. Der fünfte Zweig besteht aus dem Widerstand 6.

Mit einer Schaltung nach Pig. 6 erhält man keine vollständige Unterbrechung, weil der Widerstand 6 es zuläßt, daß ein gewisser Strom im Kreise zwischen den Punkten 2 und 3 fließt. Pur die

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• endgültige Unterbrechung ist ein zusätzlicher Schalt er 7 er-'forderlich, in Fig. 7 ist ein Kreis gezeigt, der eine voll-

■'ständige Unterbrechung, erlaubt, Bei .dieser ist der .Widerstand 6-mit einem kondensator 14 reihengeschaltet, der dann den" Kondensator 13 in Fig. 6 ersetzen kann.

Beim Schaltvörgang müssen der Hilfsschalter 4 und der Reihenschalter 8 synchronisiert sein, so daß der Reihenschalter geschlossen ist-, bis der Strom ganz vom Hilfsschalter zum Zweig mit dem Schaltelement und dem Reihenschalter übergeschaltet ist. Ehe im Schaltelement 5 der Impedanzwechsel stattfindet, werden die Eontakte des Reihenschalters geöffnet. Wenn das Abschneiden des Stromes durch das Schaltelement stattfindet, wird der Strom durch diesen Zweig UuIl oder praktisch Null und wird zum Kondensator 13 bzw. 14 übertragen, der dann geladen wird. Wenn das Schaltelement seine hohe Impedanz 5-10MikrοSekunden lang aufrechterhalten kann, hat der Reihenschalter eine so hohe Spannungsfestigkeit erreicht, daß er eine Steilheit Tön einigen 100 V/yus der wMerkehrenden Spannung bewältigen kann-, und die wiederkehrende Spannung und eine eventuelle Wiederzündung im .Schaltelement haben nun zur Folge, daß die Energie . in der Impedanz 10 im Schaltelement entladen wird und die ganze Spannung über dem Kondensator 13 bzw. 14 und dem Widerstand ζ> sich kurz^ei%ig über die Impedanz 11 und den Reihenschalter.8 legt.

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BADOFaeawft.

Bei der in Pig. 7 gezeigten Ausführungsform muß der Kondensator 14 so dimensioniert sein, daß er die ganze übrigbleibende magnetische Energie übernehmen kann, ohne daß eine zu hohe Spannung erhalten wird. Der Widerstand 6 hat zur Aufgabe, etwas mehr Energie zu verbrauchen, so daß der Kondensator kleiner gemacht werden kann. Mit dieser Einrichtung wird sich unmittelbar nach dem Abschneiden des Stromes eine Spannung über das Schaltelement und den Reihenschalter legen. Wenn dies unzweckmäßig sein sollte, kann ein zusätzlicher Kondensator parallel eingeschaltet v/erden, analog mit dem in Mg. 6 gezeigten.

Der Reihenschalter 8 muß eine sehr hohe wiederkehrende Spannungsfestigkeit haben. Bei einem Abschneiden des Schaltelements ist es nicht ganz sicher, ob der Strom exakt Hull wird, deshalb muß der Reihenschalter einen übriggebliebene! lieststrom vollständig unterbrechen können.

Der Schalter kann ein Vakuumschalter mit z.B. Wolframkontakten sein, der die Shigke.'.t liat, den Lichtbogen, spontan bei Strömen von weniger als ca. 50 Amp. zu löschen. Es ist auch möglich, einen Druckgasschalter zu benutzen, der mit Druckluft oder einem elektronegativen Gas arbeitet und mit dem eine forcierte Schaltung bei 10 bis 20 Amp. erhalten wird.

Wenn der Reihenschalter nicht den Reststrom zu unterbrechen vermag, muß ein künstlicher ITulldurchgang für den Strom ge- schaffen'werden, und die J¹Ig. 8a und 8b zeigen zwei Variationen

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einer Schaltung zu diesem Zweck. Fach der in Fig. 8a gezeigten Variation ist parallel mit dem Reihenschalter 8 ein Schwingungskreis angeordnet, der aus einem Kondensator 15 und einer Spule' 16 besteht. Wenn die Lichtbogenspannung bei Stromabnahme steigt, "wird im Schalter e-in Strom mit einer solchen Richtung induziert, daß ein künstlicher Nulldurchgang erhalten wird.

Bei der in I¹Ig. 8b gezeigten Variation ist der Schwindungskreis mit einer Funkenstrecke 17 reihengeschaltet. Der Kondensator kann von Anfang an gpLäden sein, und wenn die Funkenstrecke gesundet wird, weil die Iiichtbogenspaniiung über dem Reiherischalter einen gewissen Wert überstiegen hat, wird ein künstlicher Nulldurchgang induziert, und der Schalter schaltet. Die Funkenstrecke kann auch durch irgendeinen äußeren Impuls gezündet werden. Der Kondensator kann auch von Anfang an ungeladen sein.

Wenn das Schaltelement 5 nach wiederholter Wiederzündung schließlich selbst eine vollständige Schaltung bewirken kann, kann der Reihenschalter 8 weggelassen werden. Der Kondensator 13 bzw. 14 dient in einem solchen Fall zwei Zwecken, einerseits um zu verhindern, daß die durch die Wiederzündung erzeugten Spannungsoszillationen im Netz zu groß werden, andererseits zum Verhindern einer allzu schnellen Spannungsbeanspruchung des Schaltelements nach einem Abschneiden des Stroms.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Schaltung muß der Reihenschalter 8 geschlossen sein, wenn das Schaltelement 5 zündet. Erst danach

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soll der Reihenschalter öffnen. Dies dauert ca. 10 msek. und Γ während dieser Zeit soll das Schaltelement brennen. Wenn das * Schaltelement den Strom abschneidet, kann der Reihenschalter

schnell entionisiert werden.

Wenn der Reihenschalter ein mechanischer Schalter der früher genannten Typen ist, muß das Schaltelement 10 msek, lang brennen.

Wenn der Wunsch vorliegt, die,Brennzeit des Schaltelements 5 zu verkürzen, kann man in verschiedenen Weisen verfahren.

Bei einem dieser Verfahren besteht der Reihenschalter aus einer ! oder mehreren gesteuerten Funkenstrecken, z.B. Vakuumfunkenstrecken. Wenn das Schaltelement einen Zündimpuls bekommt, zündet gleichzeitig die Funkenstrecke. Das Schaltelement braucht nun, nur eine so lange Zeit zu brennen, wie der Reihenschalter zum Erlöschen braucht. Damit diese Anordnung funktionieren soll, ist es jedoch erforderlich, daß die Summe der Resistanzen des Schaltelements 5 und Reihenschalters 8 viel kleiner als Q&e ' . _: Resistanz des Parallelschalters 4 ist, sonst erfolgt keine Kommutierung. />;

Gemäß einem anderen Verfahren wird der Eontaktarm im Reihenschalter 8 mit einer Anordnung versehen, die einen Zünddraht mit sich zieht, wenn der Reihenschalter öffnet, dadurch kann der Reihenschalter anfangen zu öffnen, bevor der Parallelschalter

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roll offen und entionisiert ist. Ala Folge davon erhält man eine kurze Brennzeit des Sehaltelements und einen schnelleren . Schaltverlauf. Um einen ausreiehend niedrigen Widerstand im Re'ihensehalter während der Kommutierung zu erhalten, muß; der Draht dick sein, oder die Druckluftbeblasung darf nicht beginnen, ehe der Strom vom Parallelschalter zum Schaltelement und Reihenschalter kommutlert hat.

Nach einem dritten Verfahren kann die Schaltung, wie in Fig. gezeigt, modifiziert werden. Hier liegt der Parallelschalter nur über dem Schaltelement. Der Vorteil dieser Schaltung ist, daß die beiden Schalter gleichzeitig öffnen können. Hier braucht das Schaltelement nur eine so lange Zeit zu brennen, daß der Lichtbogen erlischt, z.B. einige 100/Us. Ein anderer Vorteil ist, daß der Parallelschalter nur ca, 10 kV zu bewältigen braucht im Gegensatz zu voller Schaltspannung bei einer Schaltung nach Jig. 6. Dies hängt von.der Spannungsteilerschaltung 10, 11 ab.

Als eine weitere Variante der in.Jig, I gezeigten Schaltung kann ein Kondensator zwischen den Punkten 2 und 5 geschaltet werden mit dem Zweck, die Steilheit der wiederkehrenden Spannung zu vermindern.

-Die Erfindung umfaßt auch die in Pig, TO gezeigte Abänderung der Anordnung, die in Pig. 6 und 7 gezeigt ist. Das Schaltelement 5 Joesteht aus einer Vakuumentladungsanordnung, die nicht, dazu

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geeignet ist, den ganzen Strom kontinuierlich zu führen, sondern in erster Linie nur während des Schaltverlaufs. !lach der vorge-• schlagenen Abänderung ist der Hilfsschalter 4 parallel mit der Reihenschaltung des Schaltelements 5 und dem Reihenschalter 8 durch eine kontinuierlich leitende Niederdruckentladungsstrecke 18 in Reihe mit einem Schnellschalter 19 ersetzt. Der Schnellschalter kann ein Druckgasschalter sein, der mit Druckluft oder einem anderen geeigneten elektronegativen Gras arbeitet, z.B. mit Sl?g. Er kann auch als Ionenventil mit einem Blockierungs-" gitter^ausgebildet sein.

Bei einer Schaltung soll eine Stromunstabilität in der Sntladungsstrecke 18 induziert werden, so daß diese abschneidet, d.h. so, daß ihre stromleitende Fähigkeit kurzzeitigabnimmt oder ganz verschwindet. Ehe dies Abschneiden beginnt, muß der Reihenschalter 19 geöffnet werden. Wenn das Abschneiden so langwierig ist wie 5-10/us, hat der Reihenschalter Zeit, entionisiert zu werden und einen großen Teil seiner Spannung wieder aufzunehmen. Böim Abschneiden wird der ganze Strom zur Aufladung der Kondensatoren 10, 11 und 13 übergeschaltet. Wenn der Kondensator 13 . 5/uP beträgt, steigt die Spannung zwischen den Punkten 2 und 3 mit ungefähr 500 V//Us, was ein normaler Wert für einen Druck-luftschalter ist. Mit Hilfe der Kondensatoren 10 und 11 wird diese Spannung in geeeigneter Weise zwischen der Entladungsstrecke und dem Reihenschalter verteilt. Wenn die Spannung nach einigen

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hundert Mikroöekunden die Netzspannung erreicht hat, kann der ganze Strom im Parallelwiderstand 6 geleitet werden, wobei die im Kreise gespeicherte magnetische Energie im Widerstände verschwindet und der Strom abnimmt.

Eine endgültige Schaltung erfolgt mit dem Schalter 7. Wenn der Widerstand 6 entfernt oder mit einem Kondensator reihengeschaltet wird wie in Fig. 7, kann eine vollständige Schaltung ohne den äußeren Schalter 7 erfolgen, aber dann·muß der Kondensator 13 so groß gewählt werden, daß er die übriggebliebaie magnetische Energie aufnehmen kann, ohne daß allzu große Überspannungen entstehen.

Die in Pig. 10 gezeigte Anordnung zum Induzieren einer Strominstabilität in der Entladungsstrecke 10 besteht aus einem separat ladbaren Kondensator 20, einem Stromsteller 21 und einer zweckmäßigen Impedanz 22. Diese Anordnung ist parallel mit der Entladungsstrecke geschaltet. Wenn der Stromsteller 21 geschlossen wird und der Kondensator 20 sich über der Entladungsstrecke ent-. IMt, wird-der Strom durch diese zunehmen, so daß ein Abschneiden entsteht. Dieser zusätzliche Strom muß so groß sein, daß die ."■' ',abilität so lange dauert, daß der Reihensehalter 19 Zeit hat, entionisiert zu werden. Wenn die Entladungsstrecke 18 aus einem Mchtbogen besteht, der im Quecksilberdampf brennt, können die Dimensionen des Gefäßes, der Gasdruck und Gastyp so gewählt

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werden, daß die Entladung nur aufrechterhalten werden kann, wenn ein zusätzlicher Gaseinlauf in der Nähe der Anode angeordnet

wird. Wenn dieser Gaseinlauf geschlossen wird, wird die Entladung gedrosselt und der Strom abgeschnitten.

Auch wenn der Schnellschalter 19 aus einer kontinuierlich leitenden Fiederdruckentladungsstrecke des Ionenventiltyps besteht, enthält die Schalteranordnung keine mechanischen Teile und kann folglich sehr schnell sein. In einem solchen Jail wird eine Strominstabilität in dem einen Ventil induziert, wobei die beiden Ventile stromlos werden. Das Ventil, das normalleitend war, wird schnell entionisiert und kann also den Kreis unterbrechen, auch wenn das erste Ventil nach der Instabilität wieder zünden wollte. Wenn der Reihenschalter mit einem Blockierungsgitter versehen ist, wird dieses negativ gemacht, wenn das erste Ventil abschneidet. Das Abschneiden muß so lange dauern, daß dae Gitter Zeit hat, die Strombahn zu blockieren. Der Reihenschalter kann auch kein Gitter haben, aber dann muß das Abschneiden so lange dauern, daß die Ent ionisierung groß genug wird.

Gemäß der Erfindung enthält die Schaltanordnung einen Widerstand 6, der mit dem Hilfsschalter 4 und dem Schaltelement 5 parallelgeschaltet ist. Der Widerstand hat zur Aufgabe, den Strom des Kreises zu übernehmen, nachdem das Schaltelement seine Impedanz auf einen sehr hohen Wert vergrößert hat, und die induktive Energie zu verbrauchen, die im Gleichstromkreis gespeichert ist. Eine ·

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.endgültige Unterbrechung des Gleiclistromkreises geschieht mit

. . Hilfe des äußeren Schalters 7. :

Wenn der Kreis stark induktiv ist, kann es sich als praktisch unmöglich erweisen oder wenigstens als unzweckmäßig, den Widerstand für die ganze magnetische Energie, die in der Leitung .^; vorhanden ist, zu dimensionieren. ■

Pig. 11 und 12 zeigen zwei Schaltungen, hei welchen der Widerstand 6 aus einer Anzahl von Teilwiderständen aufgebaut ist, die mit Hilfe von Kondensatoren und Funkenstrecken parallel mit dem Schaltelement angeschlossen sind* Jeder Kondensator ist mit einem über eine Hilfsfunk-enstrecke einschaltbaren Entladungswider stand versehen. Bei der Ausführungsform nach J¹Ig. ist ein erster Ceilwiderstand 60 zwischen den Punkten 2 und 3 mittels einer !Funkenstrecke 50 und eines Kondensators 40 angeschlossen. Ein zweiter Teilwiderstand 61' ist in gleicher Weise mittels einer Funkens tr ecke 51 und eines ,Kondensators 4-1 angeschlossen. Der Kondensator 40 kann mit Hilfe eines Entladungswiderstandes 63 und einer Hilfsfunkenstrecke 53 entladen werden. In derselben Weise kann der Kondensator 21 über einen Entladungswiderstand 64 und eine Hilfsfunkenstrecke 54 entladen werden. .Sämtliche !Funkenstrecken sind gesteuert, so daß man ihren Zündaugenblick bestimmen kann.

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■ Wenn die Spannung über der Anordnung steigt, weil das Schaltelement 5 von einem nieder- zu einem hochohmigen Zustand umgeschaltet ist, soll die Funkenstrecke 50 bei dem maximal zugelassenen Spannungswert über der Anordnung zünden.

Der Kondensator 40 fängt dann an, mit einer Zeitkonstante geladen zu werden, die vom Schaltstrom und der Größe des Kondensators bestimmt ist, gleichzeitig wird ein Teil der magnetischen ■Energie im Widerstand 60 verbracht. Wenn der Kondensator beginnt geladen zu werden, hört der Strom auf, in diesem Zweige zu fließen, und die Spannung über der Anordnung fängt wieder an zu steigend-Sobald die Spannung wieder den maximal zugelassenen Wert erreicht hat, wird die Funkenstrecke 51 gezündet und der Stron fängt an* durch die Zweige 41, 51, 61 zi/fließen, wobei der Kondensator 41 geladen und Energie im Widerstand 61 verbraucht wird. Sobald

j der Strom nicht mehr durch den Kreis 40, 50, 60 fließt, erlischt die Funkenstrecke 50 und die Hilfsfunkenstrecke 53 wird gezündet, so daß der Kondensator 40 sich über dem Widerstand 63 entlädt. Die Kreise v/erden so dimensioniert, daß die Zeitkonstante für 63, 40 kleiner ist als für 61, 41. Hierdurch ist der Kondensator 40 entladen, ,ehe der Kondensator 41 vollgeladen ist.

Wenn der Kondensator 41 beginnt voll geladen*zu sein, fängt die Spannung wieder an zu steigen. Dann muß 50 gezündet werden, so

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daß der Strom zum Zweig 40, 50, 60 zurückgeschaltetwird. Die Funkenstrecke 51 erlischt, und die Funkenstrecke 54 bekommt einen Zündimpuls, so daß der Kondeneator 41 sich über dem Widerstand 64 entlädt, was in einer Zeit geschehen soll, die kürzer als die ist, die der Kondensator 40 braucht, um geladen zu werden. Dann wird das beschriebene Schaltmanöver wiederholt, bis die induktive Energie, die noch vorhanden ist, in einem der Kondensatoren 40 und 41 aufgenommen wird. Der Kreis ist dann unterbrochen.

Wenn es für zweckmäßig befunden wird, können mehrere Zweige" mit Kondensator, Funkenstrecke und YJiderstand nacheinander geschaltet werden, so daß der Strom unterbrochen werden kann, ohne daß der zuerst eingeschaltete Zweig wieder benutzt zu werden braucht.

Fig. 12. zeigt einen Kreis, der Funkenstrecken ohne äußere Zündan-Ordnungen enthält und in dem die Hilfsfunkenstrecke für die Entladungskreise der Kondensatoren mit drei Elektroden und mit der •Mittelelektrode an öinen anliegenden Zweig angeschlossen ausgebildet ist. Die Zündspannungen für die Funkenstrecken 50, 51 und 32 sollen etwas verschieden sein, so daß Ucq/· ^t-* χ Ί*ς ρ 'SO gezündet ist und 40 voll geladen ist, steigt die Spannung über' der Zündspannung für 51, so daß diese zündet und der Strom.zum Zweig 41, 61 hinüberfließt. Dabei entsteht ein Zündimpuls über der

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- 24 JPunkenstrecke 53 über den Kondensator 43 mit einer gewissen

Zeitverschwedung, Diese Verschiebung muß so groß sein, daß 50

erlöschen kann, ehe 53 zündet. Sobald 41 voll geladen ist, zündet 52, und nach einer gewissen Verzögerung zündet 44» so daß 41 entladen wird. In analoger Weise werden die anderen Zweige einer nach dem anderen eingeschaltet. Zum Schluß ist der Strom so niedrig, daß die übriggebliebene induktive Energie im zuletzt eingeschalteten Zweig gelagert ist.

Bei dieser Schaltung braucht die Entladung der Kondensatoren nicht besonders schnell zu geschehen, sondern die Zeitkonstante der Entladungskreise kann so lang gemacht werden, daß der ganze Schaltprozess vollendet ist, ehe der zuerst eingeschaltete Kondensator entladen ist.

Wenn eine kleinere Anzahl von Zweigen verwendet wird, kann eine Rückschaltuns vom letzten zum ersten Zweig vorgenommen werden, wie mit gestrichelten Linien und dem Kondensator 45 in Fig. 12 angedeutet ist. In dieser Weise kann der Strom mehrere Male, zu jedem Zweige geschaltet werden. In diesem JFaIl muß die Zeitkonstante der Entladung der Kondensatoren .so gewählt werden, daß ein gewisser Kondensator nicht völlig entladen sein soll, bis kurz bevor sein Zweig in den Kreis eingeschaltet wird, weil sonst seine Funkenstrecke zu früh zünden würde.

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■ V- "; - 25 - ' .' ■" "■"■.■■:

Anordnungen des beschriebenen Typs sind bekannt und werden in der Kraftteeßnik zum Schutz' gegen Überspannungen verwendet. · Fach der vorliegenden Erfindung haben sie jedoch nicht zx Aufgabe, hauptsächlich eine Ausrüstung zu schützen, sondern die induktive Energie zu verbrauchen, die in einer Übertragung für hochgespanntenG-leichstrom gespeichert ist, um eine sichere Unterbrechung des StromesT"zu ermöglichen.

- ,-.26:» 009S13/0652 W

Claims

- 26 Patentansprüche;

1. Anordnung zum Unterbrechen eines hochgespannten, induktiven elektrischen Stromkreises, vorzugsweise einer Leitung für hochgespannten Gleichstrom, durch Einschalten eines Reihenwiderstandes in den Stromkreis zwecks Herabsetzung des Stromes des Kreises auf einen so niedrigen tfert, daß eine Unterbrechung durch einen im Stromkreis eingeschalteten Hauptschalter möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes (6), der im wesentlichen den ganzen Strom im Stromkreis führen kann, eines S ehalt element's (5), das wenigstens während einer kurzen Zeit den ganzen Strom im Stromkreis führen kann, und eines Ililfsschalters (4) besteht, der normalerweise geschlossen ist und den Strom im Stromkreis führt, und daß weiter Anordnungen vorhanden sind, die zu Anfang eines Schaltverlaufs den Hilfsschalter (4) öffnen und einen Startimpuls für. das Schaltelement (5) erzeugen, so daß dieses mit niedriger Impedanz leitend wird und damit den Strom, übernimmt und danach schnell seine Impedanz auf einen Wert erhöht, der viel größer als die Resistanz des Widerstandes (6) ist, so daß der Strom gezwungen wird, durch den Widerstand (6) zu fließen und dadurch auf einen so niedrigen Wert herabgesetzt wird, daß der Hauptschalter (7) die endgültige Unterbrechung des Stromkreises zustandebringen kann. '

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00 98 13/06 52 β^

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Schaltelement (5) aus einer Gasentladungsanordnung besteht, in welcher die !Lichtbogenentladung von einem Plasmasrastand mit niedrigem Bogenspannungsfall zu einem Raumladungszustand mit sehr hohem Bogenspannungsfall regelbar ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspannung der Grasentladungsanordnung so eingestellt ist, daß die Lichtbogenspannung, die über der Anordnung beim öffnen des Hilfsschalters (4) entsteht, ausreicht, um einen Strom durch die Gasentladungsanordnung zu starten.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladungsanordnung teils mit einer Vakuumpumpe (10) versehen ist, die normalerweise den Druck so niedrig hält, daß der Bogenspannungsfall sehr hoch ist, teils mit einer Plasmakanone (13),.^:.mit welcher ein Plasma in die Entladungsstrecke eingeführt wird, so daß diese mit einem sehr niedrigen Bogenspannungsfall leitend wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung des Plasmas im wesentlichen winkelrecht zur Entladungsstrecke ist.

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009813/0652 "_D/m T" ~ ⁴

BAD ORJGINAIL

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der

Plasmastrahl von der Plasmakanone sich im wesentlichen parallel

mit der Entladungsstrecke bewegt. .

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ■ Widerstand (6) nicht linear ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (8) in Reihe mit dem Schaltelement (5) eingeschaltet ' und parallel mit dieser Reihenschaltung eine Reihenschaltung von zwei Impedanzen (10, 11) angeschlossendst, die zur Steuerung der Spannungsverteilung über dem Schalter (8) und dem Schalt-, element (5) dient.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen (10, 11) aus Kondensatoren bestehen,

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß äle Impedanzen (10, 11) aus Kondensatoren und Widerständen zusammengesetzt sind. *

11. Anordnung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennjaeichnet, daß der Schaltpunkt (12) der zwei Impedanzen (10, '11) mit dem Yerbindungspunkt des S ehalt elements (5) und des Schalters (8) _r

¹ verbunden ist.

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·■■■-- -

•••12.· Anordnungnach Anspruch. 8 "bis 11, dadurch gekennzeichnet,

·' -'.-daß ein zusätzlicher Kondensator (13) parallel mit dem Wider-' stand (6) angeschlossen ist.

13. Anordnung nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (14) in Reihe mit dem Widerstand (6) angeschlossen ist. ',-.". ■

■■" 14·. Modifikation der Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsschalter (4) parallel mit der Reihenschaltung des Schaltelements .(.5)' und Reihenschalters (8) durch eine kontinuierlich leitende Mederdruckentladungsanordnung (18) in Reihe mit einem Schnellschalter (16) ersetzt ist.

15, Anordnung nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, daß die Hiederdruekentladungsanordnung (18) vom Typ eines hochgespannten Ionenventils ist.

16. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kiederdruckentladungsanördnung (18) mit einem separat aufladbaren Kondensator (20) in Reihe mit einem Stromsteller (.21.') und einen Impedanzelement (22) parallelgaschaltet ist» um.

"eine stromabschneidende Instabilität in der EntladBanordnung (18) zu erzeugen/ ·

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17. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der " Widerstand (6) in mehrere parallele Zweige aufgeteilt ist, die je einen Teilwiderstand (60, 61, 62)-, eine Funkenstrecke (50, 51, 52) und einen Kondensator (40, 41, 42) enthalten.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kondensatoren (40, 41, 42) mit einem über eine Eilfsfunkenstrecke (53, 54, 55) einschaltbaren Entladungswiderstand (63, 64, 65) versehen ist.

19. Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch ^kennzeichnet, daß die Funkenstrecken (50, 51, 52) und Hilfsfunkenstrecken (53, 54, 55) gesteuert sind.

20. Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die erste der Punkenstrecken (50, 51, 52) eine niedrigere Überschlagspajinung als die zweite hat, die zweite eine niedrigere als die dritte usw.

21. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsfunkenstrecken (53, 54, 55) mit drei Elektroden ausgeführt sind und die Hilfsfunkenstrecke in einem gewissen Zweig eine

Mittelelektrode hat, .die an einem benachbarten Zweig angeschlossen ist. '

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