DE3029303A1

DE3029303A1 - Blitzschutz

Info

Publication number: DE3029303A1
Application number: DE19803029303
Authority: DE
Inventors: Susumu Nishiwaki; Toshikazu Satoh; Satoru Yanabu
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-08-02
Filing date: 1980-08-01
Publication date: 1981-02-05
Also published as: DE3050529C2; US4326233A; DE3029303C2; CH658551A5

Description

Blitzschutz

Die Erfindung betrifft Blitzschutz, insbesondere zum Schutz von Kraftwerksausrüstungen vor Beschädigungen durch Blitzeinschlag.

Beim herkömmlichen Blitzschutz sind mehrere nicht lineare Widerstandselemente auf ZnO-Basis entsprechend dem Niveau der sekundären Nennspannung zu einem Ventilbloek in Reihe geschaltet. Ein Ende dieses Ventilblocks ist mit einer Leitung verbunden, die mit den zu schützenden Einrichtungen im Kraftwerk gekoppelt ist. Das andere Ende des Ventilblocks ist geerdet. Das bedeutet, daß der herkömmliche Blitzschutz keine Funkenstrecke hat. Der Grund, weshalb keine Funkenstrecke vorhanden zu sein braucht, besteht darin, daß beim Einprägen einer Spannung von niedrigerem als dem vorgeschriebenen Niveau in ein nicht lineares Widerstandselement auf ZnO-Basis, im wesentlichen kein Strom durch das Element fließt. Wenn umgekehrt die Spannung das vorgeschriebene Niveau übersteigt, zeigt das nicht lineare Widerstandselement auf ZnO-Basis eine solche Einprägespannungs-Stromcharakteristik daß ein pulsierender Strom durch das Widerstandselement fließt.

Beim bekannten Blitzschutz, der wie beschrieben aufgebaut ist, ist die Funkenanfangspannung des Ventilblocks proportional zur Anzahl der in Reihe geschalteten nicht linearen Widerstandselemente. Kit anderen Worten, je kleiner die Anzahl Widerstandselemente, umso stärker reduziert ist die Funkenanfangspannung beim bekannten Blitzschutz. Der Grund hierfür besteht darin, daß der Gesamtwiderstand des Ventilblocks umso mehr abnimmt, je stärker die Anzahl Widerstandselemente verringert ist; unter normalen Bedingungen fließt mehr Leckstrom durch den Ventilblock, wodurch die Temperatur des Ventilblocks sich erhöht. Dieser Temperaturanstieg führt dazu, daß mehr Leckstrom durch den Ventilblock fließt, bis dieser beschädigt wird, so daß der Blitzschutz unwirksam wird.

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ORIGINAL INSPECTED

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Bei einer anderen "bekannten Blitzschutzeinriehtung sind zwei räumlich angeordnete Elektroden mit dem Ventilblock in Reihe geschaltet, um dessen Zusammenbruch durch Wärmeeinfluß zu verhindern. Ein zwischen den paarweise angeordneten Elektroden vorhandener Raum verhindert, daß Strom unter normalen Bedingungen durch die nicht linearen Widerstandselemente des Ventilblocks fließt, wodurch die Widerstandselemente "bzw. der "Ventilblock vor dem Versagen durch Erwärmen geschützt werden. Das Niveau der Funkenanfangspannung, die in dem genannten Raum zwischen den Elektroden "bzw. in der Funkenstrecke auftritt, schwankt je nach der Wellenform einer ungewöhnlichen Stoßspannung, die einem Blitzschutz eingeprägt wird. Mit anderen "Worten, ausgedrückt, wenn die Dauer der Wellenfront der Stoßspannung verkürzt wird und sich ein steiler Anstieg des Blitzstroms ergibt, wird das Niveau der Funkenanfangspannung angehoben und dadurch in unerwünschter Weise die Schutzwirkung des Blitzschutzes für die Kraftwerksanlagen verringert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Blitzschutz zu schaffen, bei dem die Funkenanfangspannung unabhängig von der Dauer der Wellenfront einer ungewöhnlichen, dem Blitzschutz eingeprägten Stoßspannung ein festes Niveau hat und ein in der Funkenstrecke auftretender Entladungsbogen sich nicht an einer Stelle in der Funkenstrecke festsetzen kann.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Blitzschutz geschaffen, bei dem eine Vielzahl von Impedanzelementen mit vorherbestimmter Frequenzcharakteristik in Bezug auf eine ungewöhnliche Stoßspannung mit mindestens einem Paar Elektroden, die unter Schaffung einer Funkenstrecke angeordnet sind, sowie mit einem Ventilblock parallelgeschaltet sind, der aus einer Vielzahl nicht linearer Widerstandselemente zusammengesetzt ist.

Bei einem Blitzschutz gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die paarweise angeordneten Elektroden durch eine Anordnung aus einer inneren und einer äußeren, räumlich konzentrisch angeordneten Elektrode ersetzt. Beide

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Elektroden haben eine zylindrische Außenfläche und sind jeweils mit einer ersten und einer zweiten Einführelektrode versehen. Die erste, am oberen Umfangsrand der inneren zylindrischen Elektrode angebrachte Einführelektrode erstreckt sich in horizontaler Richtung tangential nach außen. Der geneigte Abschnitt der zweiten, am äußeren Umfangsrand der äußeren zylindrischen Elektrode angebrachten Einführelektrode erstreckt. sich gekrümmt nach oben längs der Umfangskante, wobei der Bereich der zweiten Einführelektrode, der sich horizontal nach außen erstreckt, mit der ersten Einführelektrode der inneren zylindrischen Elektrodeparallel verläuft. An den einander gegenüberliegenden Wandflächen der äußeren Endbereiche der ersten und zweiten Einführelektrode der inneren und äußeren zylindrischen Elektrode sind zwei Vorsprünge ausgebildet, die zwischen sich eine schmale Entladungsstrecke begrenzen.

Bei einem erfindungsgemäßen Blitzschutz bildet ein Paar hohler zylindrischer Elektroden eine Funkenstrecke von vorherbestimmter Größe. Eine der paarweise angeordneten hohlen zylindrischen Elektroden ist an eine Übertragungsleitung angeschlossen, die ihrerseits mit Einrichtungen verbunden ist, welche vor einer Blitzstoßspannung über eine Funkenloschspule und einen ITebenschlußwiderstand geschützt werden müssen. Die andere hohle zylindrische Elektrode ist über eine Parallelschaltung, welche aus einer Funkenlöschspule und einem Nebenschlußwiderstand besteht, und über einen Ventilblock geerdet. Eines von zwei Impedanzelementen, die jeweils einen Kondensator und einen Hebenschlußwiderstand aufweisen, ist mit einer Serienschaltung parallelgeschaltet, welche aus einer Parallelschaltung einer Funkenlöschspule und eines Nebenschlußwiderstandes, einem Paar Elektroden und einer weiteren Parallelschaltung aus einer Funkenlöschspule und einem Nebenschlußwiderstand besteht. Das andere Impeäanzelement ist mit einem Ventilblock parallelgeschaltet.

■Beim Blitzschutz gemäß der Erfindung sind die paarweise angeordneten hohlen zylindrischen Elektroden mit einem Paar Einführelektroden versehen, die ihrerseits einander nahe zuge-

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wandte Vorsprünge haben, welche eine schmale Entladungsstrecke begrenzen. Die paarweise angeordneten hohlen zylindrischen Elektroden weisen eine innere Einheit und eine diese mit vorherbestimmtem Abstand konzentrisch umgebende äußere Einheit auf. Die innere zylindrische Elektrode ist mit einer ersten Einführelektrode versehen, welche sich vom Umfangsrand der inneren Elektrode tangential nach außen erstreckt. Die äußere hohle zylindrische Elektrode ist mit einer zweiten Einführelektrode versehen, deren geneigter Bereich sich nach oben unter einem vorherbestimmten Winkel zu einer horizontalen Ebene gekrümmt längs der Umfangskante der äußeren hohlen zylindrischen Elektrode von einem Ausgangspunkt an der Umfangskante zu demjenigen Punkt oberhalb der Umfangskante erstreckt, der dem Punkt gegenüberliegt, an dem die erste Einführelektrode beginnt, sich von der Umfangskante der inneren zylindrischen Elektrode in tangentialer Richtung zu erstrecken.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Pig. 1 ein Schaltschema eines Blitzschutzes gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem zwei Ringelektroden, zwischen denen eine Funkenstrecke begrenzt ist, mit einem Ventilblock in Reihe geschaltet sind;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Funkenstreckenbereichs des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm, welches graphisch die Beziehung zwischen dem Verhältnis a., welches ein der Funkenstrecke eingeprägtes Spannungsniveau zu dem am ganzen Blitzschutz gemäß Fig. 1 angelegten Spannungsniveau hat, und der Dauer t der Wellenfront einer Stoßspannung zeigt;

Fig. 4 ein Diagramm, welches graphisch die Beziehung zwischen der verbesserten oder verringerten Funkenanfangspannung des Blitzschutzes gemäß Fig. 1 und der Dauer t der Wellenfront der Stoßspannung zeigt;

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Pig. 5 ein Schaltdiagramm eines Blitzschutzes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Pig. 6 eine vergrößerte Schnittansicht des Funkenstreckenbereichs des Blitzschutzes gemäß Pig. 5;

Pig. 7 eine Draufsicht auf ein abgewandeltes Paar konzentrisch angeordneter, ringförmiger Elektroden, die mit einem Paar Einführelektroden versehen sind;

Pig. 8 eine Seitenansicht der paarweise angeordneten, ringförmigen Elektroden gemäß Pig. 7;

Fig. 9 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der paarweise konzentrisch angeordneten ringförmigen Elektroden gemäß Pig. 7;

Pig. 10 eine Draufsicht auf eine weitere Abwandlung der paarweise konzentrisch angeordneten ringförmigen Elektroden gemäß Fig. 7, von denen die äußere Elektrode mit einer Zuführelektrode versehen ist, die sich gekrümmt längs der Umfangskante der ringförmigen Elektrode nach oben unter vorherbestimmten Winkel zu einer horizontalen Ebene geneigt erstreckt;

Pig. 11 eine Seitenansicht der Elektrodenanordnung gemäß Pig. 10;

Pig. 12 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Elektrodenanordnung gemäß Pig. 10.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 1 sind zwei zylindrische Elektroden 11, 12 unter Schaffung einer vorherbestimmten Funkenstrecke G einander zugewandt angeordnet. Die zylindrische Elektrode 11 ist über eine Parallelschaltung mit einer Funkenlöschspule 13 und einem liebenschlußwiderstand 14 z.B. aus einem Material auf der Basis "von Siliziumcarbid (SiC) an eine Übertragungsleitung 15 angeschlossen. Die hohle zylindrische Elektrode 12 ist ähnlich über eine parallelschaltung aus einer Funkenloschspule 16 und einem Nebenschlußwiderstand 17 an ein Ende eines Ventilblocks 18 angeschlossen. Das andere Ende des Yentilblocks 18 ist geerdet. Der Ventilblock 18 besteht aus einer Vielzahl in Reihe geschalteter, nicht linearer Widerstandselemente 18a, 18b ..., die jeweils z.B. aus einem Material auf der Basis von Zinkoxid (ZnO) hergestellt sind.

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Mit einer Serienschaltung, die aus einer die Funkenlöschspule 13 und den liebenschlußwiderstand Η aufweisenden Parallelschaltung und einer Parallelschaltung besteht, zu der die paarweise angeordneten zylindrischen Elektroden 11, 12, die Funkenlöschspule 16 und der Hebenschlußwiderstand 17 gehören, ist ein Impedanzelement 20 in Form einer Serienschaltung aus einem Kondensator 22 und einem ITebenschlußwiderstand 24 elektrisch parallelgeschaltet, welches eine vorherbestimmte Frequenzcharakteristik in Bezug auf eine eingeprägte ungewöhnliche Stoßspannung (z.B. Blitzstoßspannung) hat. Ähnlich ist mit dem Ventilblock 18 ein weiteres Impedanzelement 21 elektrisch parallelgeschaltet, welches aus einer parallelschaltung aus einem Kondensator 25 und einem Nebenschlußwidexstand 27 besteht.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die im einzelnen den Funkenstreckenbereich 30 des Blitzschutzes gemäß dem in Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt. Die zylindrischen Elektroden 11, 12 sind so angeordnet, daß sie einander in axialer Richtung zugewandt sind. Beide zylindrische Elektroden 11, 12 sind in einem Isoliergehäuse 31 aufgenommen, welches gemeinsam mit abdichtenden Isolatoren 33, 34 eine luftdichte Kammer bildet, in der die zylindrisehen Elektroden 11, 12 an den abdichtenden Isolatoren 33, 34 befestigt sind. Die luftdichte Kammer ist mit einem Isoliergas, z.B. Schwefelhexafluorid (SFg) gefüllt. Die Funkenlöschspule 13 und der Eebenschlußwiderstand 14 sind von einem Stützglied 35 getragen, welches am oberen offenen Ende des Isoliergehäuses 31 mit Hilfe des abdichtenden Isolators 33 befestigt ist. Die Funkenlöschspule 16 und der ITebenschlußwiderstand 17 sind von einem Stützglied 36 getragen, welches am unteren offenen Ende des Tsoliergehäuses 31 mit Hilfe des abdichtenden Isolators 34 befestigt ist. Die Funkenlöschspulen 13, 16 sind entgegengesetzt gewickelt, so daß sie Magnetfelder M₁, M₂ erzeugen, die einander in axialer Richtung der Funkenlöschspulen 13, 16 abstossen.

\Ίβταη bei einem Blitzschutz mit diesem Aufbau gemäß Fig. 1 eine in die Übertragungsleitung 15 eingeprägte Blits-

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stoßspannung das Niveau einer durch die Funkenstrecke G zwischen den zylindrischen Elektroden 11, 12 bestimmten Funkenanfangspannung übersteigt, erscheint in der Funkenstrecke G ein Entladungsbogen. Im allgemeinen stellt eine solche Blitzstoßspannung einen steilen Stromanstieg dar, der innerhalb außerordentlich kurzer Zeit, beispielsweise 1 bis 2 Mikrosekunden ein Spannungsniveau in einer Höhe von 500 bis 1000 kY erreicht. Durch den Blitzschutz fließender Strom wird über die ITebensehlußwiderstände 14, 15 statt durch die Funkenlöschspulen 13, 16 übertragen und danach über den Yentilblock 18 an Erde gelegt. Da der aus der Blitzstoßspannung resultierende steile Stromanstieg nur außerordentlich kurz, nämlich von 1 bis 2 Mikrosekunden auftritt, wird der dabei entstehende Entladungsbogen in der Funkenstrecke G in ebenso kurzer Zeit wieder gelöscht, wie der oben genannte steile Stromanstieg dauert.

Wenn der Übertragungsleitung 15 die genannte Blitzstoßspannung eingeprägt wird, liegt am Blitzschutz eine Stoßspannung an, und infolgedessen fließt ein Folgestrom durch die Funkenstrecke G. Dieser Folgestrom dauert ziemlich lange an (z.B. 100 bis 5000 Mikrosekunden) und zeigt eine sanft abfallende Wellenform. Der Folgestrom fließt durch die Funkenlöschspulen 13, 16. Die von den entgegengesetzt gewickelten Funkenlöschspulen 13, 16 erzeugten, einander abstossenden Magnetfelder M₁, K₂ breiten sich radial durch die zwischen den zylindrischen Elektroden 11, 12 gebildete Funkenstrecke aus. Ein in der Funkenstrecke G erzeugter Entladungsbogen wird unter einer Antriebskraft gemäß der Dreifingerregel linker Hand gedreht, welche von den Magnetfeldern M₁, M₂ in Umfangsrichtung der zylindrischen Elektroden 11, 12 erzeugt wird. Später, wenn die Blitzstoßspannung verschwindet, sinkt die dem Blitzschutz eingeprägte Spannung ab. Wenn sich die absinkende Spannung weiter gegenüber der kritischen Spannung der Spannung-Strom-Charakteristik der nicht linearen Widerstandselemente, aus denen der Ventilblock 18 zusammengesetzt ist, verringert, wird der durch die Funkenstrecke G fließende Strom extrem reduzier^ beispielsweise auf einige mA. Der in der Funkenstrecke G entstandene Entladungsbogen wird daher durch das Schwefel-

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hexafluorid - (SPg) - Isoliergas, welches eine bοgenlöBehende Eigenschaft hat, ausgeschaltet.

Es sei angenommen, daß a das Spannungsverhältnis zwischen dem der Funkenstrecke G zwischen den zylindrischen Elektroden 11, 12 eingeprägten Spannungsniveau, wenn der Übertragungsleitung 15 eine Blitzschutzspannung eingeprägt wird, und dem am ganzen Blitzschutz anliegenden Spannungsniveau darstellt. Dies Spannungsverhältnis _a fällt mit einem Verhältnis zwischen den Widerständen der Impedanzelemente 20, 21 zusammen. Wenn die Scheinwiderstände dieser Impedanzelemente 20, 21 als Z₁ bzw. Z₂ ausgedrückt werden, ergibt sich folgende Gleichung:

^Z1
a = (1)

Z₁ Ή Zp

Die Scheinwiderstände Z₁, Z₂ können ferner wie folgt ausgedrückt werden:

' ~ Ϊ 2

Z₂ =

² + (^C₂)² (3)

worin C₁ = Kapazität des Kondensators 22, R₁ = Widerstand des Febenschlußwiderstands 24, C₂ = Kapazität des Kondensators 25, R₂ = Widerstand des Nebenschlußwiderstands 27, to = Winkelfrequenz der Blitzstoßspannung.

Angenommen C₁ = 50 (pP), R₁ = 20 (kn), C₂ = 200 (pF) und R₂ = 9 (Mil) und nach Bestimmung der Werte der Scheinwiderstände Z₁, Z₂ anhand der obigen Gleichungen (2), (3), dann kann der Wert des genannten Spannungsverhältnisses _a dadurch errechnet werden, daß die Werte der Scheinwiderstände Z₁, Zo in die Gleichung (1) eingesetzt werden.

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-γ-

Das Spannungsverhältnis a. schwankt mit der Y/inke !frequenz uj der Blitzetoßspannung, die als ein Parameter herangezogen wird. Die WinkeIfrequenz uo entspricht dem Reziprok der Dauer der Wellenfront der Blitzstoßspannung. In Pig. 3 ist die Beziehung zwischen der durch die WinkeIfrequenz u> "bestimmten Dauer der Wellenfront und dem Spannungsverhältnis a. graphisch dargestellt. Wie sich aus der Spannung-Zeit-Kurve gemäß Fig. 3 ergibt, schwankt das Spannungsverhältnis a mit der Dauer t (in MikrοSekunden) der Blitzstoßspannung. Aus Fig· 3 geht ferner hervor, daß bei einer Verringerung der Dauer t der Wellenfront der Blitzstoßspannung auf ca. eine Mikrosekunde, wobei die Wellenform der Stoßspannung scharf ansteigt und die Winkelfrequenz oj einen hohen Wert hat, das Spannungsverhältnis a_ z.B. von 0,8 auf 0,9 in der Spannung-Ze it-Kurve gemäß Fig. ansteigt. Mit anderen V/orten, wenn die Dauer der Wellenfront einer dem Blitzschutz eingeprägten Blitzstoßspannung verkürzt wird und die Wellenform der Spannung scharf ansteigt, nimmt das Verhältnis zwischen der der Funkenstrecke zwischen den beiden zylindrischen Elektroden 11, 12 eingeprägten Spannung und der am ganzen Blitzschutz anliegenden Spannung zu. Wenn die Wellenform der der Funkenstrecke, die eine vorherbestimmte Größe hat, eingeprägten Blitzstoßspannung scharf ansteigt, erhöht sich das liiveau der Funkenanfangspannung. Dabei wird jedoch ein hohes durch das Spannungsverhältnis _a_ bestimmtes Spannungsniveau der Funkenstrecke G zwischen den paarweise angeordneten zylindrischen Elektroden 11, 12 eingeprägt, um den erhöhten Anteil der Funkenanfangspannung auszugleichen (in der Kurve gemäß Fig. 3 der Bereich, der einen kleineren Wert als eine Mikrosekunde darstellt). Das Niveau der der Funkenstrecke G eingeprägten Funkenanfangspannung kann also nicht ansteigen, wie das im allgemeinen beim herkömmlichen Blitzschutz der Fall ist. Anders ausgedrückt, mit dem Blitzschutz gemäß der Erfindung bleibt die der Funkenstrecke-G eingeprägte Funkenanfangspannung Y im wesentlichen konstant, wie Fig. 4 zeigt, und zwar unabhängig von der Dauer der V/ellenfront der Blitzstoßspannung. Mit dem erfindungsgemäßen Blitzschutz wird also die Funkenanfangspannung bei jeglicher Dauer der Wellen-

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fronten der dem Blitzschutz eingeprägten Blitzstoßspannungen im wesentlichen unverändert gehalten. Ein Blitzschutz gemäß der Erfindung hat also den Vorteil, daß Kraftwerksanlagen zuverlässiger gegen ungewöhnliche Stoßspannungen geschützt werden können, die beispielsweise durch Blitzschlag hervorgerufen werden, als das bisher mit den herkömmlichen Blitzschutzeinrichtungen möglich ist. Außerdem kann der erfindungsgemäße Blitzschutz leicht dadurch hergestellt werden, daß dem schon bekannten Blitzschutz lediglich Impedanzelemente hinzugefügt werden, die passive Elemente, beispielsweise einen Kondensator und einen Widerstand aufweisen. Das erleichtert die Anordnung und verhindert zusätzliche Kosten.

Anhand von Fig. 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Blitzschutzes beschrieben. Beim Blitzschutz gemäß Fig. 5 fehlen die Bebenschlußwiderstände 14, 17 und die Funkenlöschspulen 13, 16 des in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist das Impedanzelement 20, welches die Serienschaltung aus dem Kondensator und dem Hebenschlußwiderstand 24 aufweist, unmittelbar parallelgeschaltet mit den zylindrischen Elektroden 11, 12. Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, ist das Impedanzelement 21, welches aus der Parallelschaltung aus dem Kondensator 25 und dem liebenschlußwiderstand 27 besteht, mit dem Ventilblock 18 parallelgeschaltet.

In Fig. 6 ist der Funkenstreckenbereich 30 des Blitzschutzes gemäß Fig. 5 im einzelnen gezeigt. Die paarweise angeordneten zylindrischen Elektroden 11, 12 sind in einem Isoliergehäuse 31 aufgenommen, welches mit einem Isoliergas, z.B. Schwefelhexafluorid (SFg) gefüllt ist. Am oberen offenen Ende des Isoliergehäuses 31 ist ein Stützglied 35 mittels eines abdichtenden Isolators 33 befestigt, der die zylindrische Elektrode 11 trägt. Am unteren offenen Ende des Isoliergehäuses ist ein Stützglied 36 mittels eines abdichtenden Isolators 34 befestigt, der die zylindrische Elektrode 12 trägt. Außerhalb

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der Stützglieder 35» 36 sind zwei Dauermagnete 38 bzw. 39 angeordnet, die Magnetfelder M₁ bzw. M₂ erzeugen, welche einander in axialer Richtung der zylindrischen Elektroden 11, 12 abstossen.

Beim Blitzschutz gemäß dem in Pig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen die einander abstossenden Magnetfelder M₁, M₂, die von den Dauermagneten 38 bzw. 39 erzeugt werden, ständig in der Funkenstrecke G in radialer Richtung. Wenn deshalb dem Blitzschutz gemäß Pig. 5 eine Blitzstoßspannung eingeprägt wird, erhält der in der Funkenstrecke G entstehende Entladungsbogen eine stabile Antriebskraft. Da das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 auch mit den Impedanzelementen 20, 21 versehen ist, bleibt die Funkenanfangspannung V₀ unabhängig

von der Dauer der Wellenfront der dem Blitzschutz eingeprägten Blitzstoßspannung konstant.

Die in Fig, 7 und 8 gezeigten,paarweise angeordneten, ringförmigen Elektroden werden in der gleichen Weise eingesetzt wie die zylindrischen Elektroden 11, 12 beim Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 1 und 2 sowie 5 und 6.

Die Abwandlung gemäß Fig. 7 und 8 sieht eine innere ringförmige Elektrode 111 aus einer Metallstange mit vorherbestimmtem Durchmesser und eine äußere ringförmige Elektrode 112 von dem gleichen Aufbau vor. Die äußere ringförmige Elektrode 112 ist konzentrisch zur inneren ringförmigen Elektrode 111 mit einem der Funkenstrecke G entsprechenden Abstand in der gleichen Ebene angeordnet. Wie Pig. 8 zeigt, sind die ringförmigen Elektroden 111, 112 jeweils mit sich tangential erstreckenden Einführelektroden 41, 42 von kreisförmigem Querschnitt versehen. Ein horizontaler Bereich 40b der Einführelektroden 41, 42 verläuft parallel zu den ringförmigen Elektroden 111, 112. Ein nach unten geneigter Bereich 40a, der Einführelektroden 41, 42 bildet einen Winkel 9 (ca. 60°) mit der horizontalen Ebene der ringförmigen Elektroden 111, 112. Einander angenäherte Endbereiche der Einführelektroden 41, 42 sind so gekrümmt, daß sie einander mit engem Abstand zugewandt

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sind und eine schmale Entladungsstrecke Gm bilden. Ein nur in einer Richtung wirkendes Magnetfeld M liegt in axialer Richtung der die innere und äußere ringförmige Elektrode 111 und 112 aufweisenden Anordnung an.

Wenn einem Blitzschutz mit den modifizierten Elektroden gemäß Fig. 7 "und 8 und dem oben beschriebenen Aufbau eine Blitzstoßspannung eingeprägt wird, wird zunächst in der schmalen Entladungsstrecke G-^ ein Entladungsbogen erzeugt. Da das Magnetfeld M senkrecht zu der die ringförmigen Elektroden 111, 112 enthaltenden Ebene wirkt, wird eine Antriebskraft F₁ = F θ gemäß Fig. 9 durch die Wirkung des Magnetfeldes M gemäß der Dreifingerregel linker Hand erzeugt. Der Entladungsbogen wird von der Antriebskraft F₁ zunächst durch die Einführelektroden 41, 42 und dann durch den ringförmigen Raum zwischen den beiden Elektroden 111, 112 geleitet, wie durch A₁, Ao ··· A₁-angedeutet. Da der in diesem Ringraum zwischen den Elektroden 111, 112 erscheinende Entladungsbogen in keinem Teil dieses Ringraums stillsteht, wird die Fähigkeit dieses Blitzschutzes, die Isolierwirkung wiederzuerlangen und den Folgestrom nach dem Verlöschen der Blitzstoßspannung auszuschalten, bedeutend verbessert.

In Fig. 10 und 11 sind gegenüber den in Fig. 1 und 2 sowie 5 und 6 gezeigten zylindrischen Elektroden weitere abgewandelte Elektroden 211, 212 gezeigt. Die Abwandlung gemäß Fig. 10 und 11 sieht eine innere_/ massive _t säulenförmige Elektrode 211 und eine äußere konzentrische, hohle, zylindrische Elektrode 212 vor, zwischen denen eine ringförmige Funkenstrecke G-von bestimmter Breite gebildet ist. Die äußere hohle zylindrische Elektrode 212 ist von geringerer Höhe als die innere, massive^ säulenförmige Elektrode 211. Vom oberen TJmfangsrand der innere^massiven₍säulenförmigen Elektrode 211 erstreckt sich tangential in horizontaler Richtung eine Einführelektrode 241 weg, die einen quadratischen Querschnitt hat. An der Außenwand der EinführeIektrode 241 ist in der Nähe des Endbereichs ein Vorsprung 241a ausgebildet. Eine gleichfalls einen quadrati-

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sehen Querschnitt aufweisende weitere Einführelektrode 241 erstreckt sich gekrümmt längs des oberen Umfangsrandes der äußeren hohlen, zylindrischen Elektrode 212. Die Oberfläche des mit der Umfangskante der äußeren₍ hohlen^ zylindrischen Elektrode 212 in Berührung stehenden Bereichs 240 der Einführelektrode 242 ist unter möglichst kleinem Winkel θ (weniger als 30°) gegenüber der Horizontalen nach oben geneigt, wie Fig. 12 zeigt. Derjenige Bereich der Einführelektrode 242, der jenseits des genannten, nach oben geneigten Bereichs 240 liegt, erstreckt sich horizontal parallel zu der sich tangential erstreckenden Einführelektrode 241. Der nach oben geneigte Bereich 240 reicht von der Anfangsstelle an der Umfangskante der äußeren hohlen zylindrischen Elektrode 212 bis zu dem Teil der Umfangskante, der der Stelle der Umfangskante der inneren, massiven,säulenförmigen Elektrode 211 gegenüberliegt, an dem die Einführelektrode 241 beginnt, sich nach außen in tangentialer Richtung zu erstrecken. Mit anderen Worten, der nach oben geneigte Bereich 240 erstreckt sich im wesentlichen längs der Hälfte des Umfanges der äußeren hohlen zylindrischen Elektrode 212. In der Nähe des Endes des sich horizontal erstreckenden Bereichs der Einführelektrode 242 ist ein Vorsprung 242a ausgebildet. Die beiden Vorsprünge 241a, 242a sind einander mit engem Abstand gegenüber angeordnet und begrenzen eine schmale Entladungsstrecke G..

Die massive_; innere _t säulenförmige Elektrode 211, die äußere^hohle, zylindrische Elektrode 212 sowie die Einführelektroden 241, 242 sind wahlweise aus leitfähigem Werkstoff, wie Kupfer oder Messing, kohlenstoffhaltigem Werkstoff, wie Graphit oder einem bogenbeständigen Werkstoff wie Wolfram oder einer Legierung in freier Wahl einiger der oben genannten Werkstoffe hergestellt. Ein Hagnetfeld wird in axialer Richtung der die beiden Elektroden 211 und 212 aufweisenden Anordnung z.B. mittels einer Funkenlöschspule oder eines Dauermagneten (hier nicht gezeigt) angelegt.

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Wenn die Blitzstoßspannung die Funkenanfangspannung übersteigt, die in der schmalen Entladungsstrecke G₁ beim abgewandelten Ausführungsbeispiel gemäß Pig. 10, 11 vorherrscht, erscheint zunächst ein Entladungsbogen in der schmalen Entladungsstrecke G₁. Eine Antriebskraft F₁ = F 0 gemäß Pig. 12, die durch das Magnetfeld M gemäß der Dreifingerregel linker Hand erzeugt wird, bewirkt^ daß zunächst der Entladungsbogen durch die Einführelektroden 241, 242 und den geneigten Bereich 240 und dann durch die ringförmige Funkenstrecke G geleitet wird, wie durch A₁, A₂ ... A,- angedeutet.

Beim abgewandelten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10, 11 ist die innere Elektrode 211 massiv und säulenförmig gestaltet, während die äußere Elektrode 212 hohlzylindrisch ist, wodurch die entstehende Blitzschutzanordnung einen festen Aufbau erhält. Dieser Blitzschutz ist also vor Verschiebungen geschützt, die beispielsweise von außen aufgebrachte Stösse oder Temperaturänderungen verursachen. Ferner haben die schmale Entladungsstrecke G₁ und die ringförmige Funkenstrecke G zuverlässige Eigenschaften.

Beim abgewandelten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 und 11 kann außerdem der Neigungswinkel des geneigten Bereichs 24O der an der äußeren hohlen zylindrischen Elektrode 212 angebrachten Einführelektrode 242 ohne weiteres kleiner sein als z.B. 10°. Wenn eine durch die Wirkung des Magnetfeldes M hervorgerufene Antriebskraft F vektoriell dividiert wird, wirkt eine große Eraftkomponente F₁ auf den geneigten Bereich 240, wodurch der Entladungsbogen mit hoher Geschwindigkeit längs des geneigten Bereichs 240 vorwärtsbewegt wird. Dadurch wird wirksam verhindert, daß der Entladungsbogen längs des geneigten Bereichs 240 stagniert, so daß die Verbrennungsgefahr des Elektrodenmaterials verringert und dementsprechend die Lebensdauer erhöht wird.

Wie schon gesagt, wird erfindungsgemäß ein Blitzschutz geschaffen, bei dem die Funkenanfangspannung unabhängig von der Dauer der Wellenfront der Blitzstoßspannung auf konstantem

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Niveau gehalten wird und dessen Fähigkeit, die Isolierung wiederzuerlangen und einen Polgestrom in der Funkenstrecke auszuschalten, "bedeutend verbessert ist.

Die paarweise angeordneten Elektroden bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Blitzschutzes dienen lediglich als Beispiele. Natürlich lassen sich die Elektroden auf verschiedene Weise abwandeln. Außerdem ist die an den Blitzschutz angelegte ungewöhnliche Stoßspannung nicht auf Stoßspannungen beschränkt, die aus Blitzschlägen resultieren. Es können viele andere Formen ungewöhnlicher Stoßspannungen angenommen werden, so z.B. eine ungewöhnliche Stoßspannung, die erfolgt, wenn die innere Verbindung elektrischer Einrichtungen durch einen Unglücksfall in unerwünschter V/eise geerdet wird.

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Claims

Tokyo Shibaura Denki K.K. Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Japan Blitzschutz Patentansprüche

1.!Blitzschutz mit einem Ventilblock aus einer Vielzahl ηΐοϊτ linearer Widerstandselemente, die aus einem Material auf der Basis von Zinkoxid (ZnO) hergestellt sind, und Entladungsstreckeneinrichtungen, die mit dem Ventilblock in Reihe geschaltet sind und zwischen sich einen vorherbestimmten Raum begrenzen,

dadurch gekennzei chnet, daß eine Impedanzschaltungseinrichtung vorgesehen ist, die das Verhältnis zwischen dem Spannungsniveau, welches dem Ventilblock (18) eingeprägt wird, und dem Spannungsniveau, welches an den Entladungsstreckeneinrichtungen anliegt, gemäß der Wellenform einer dem Blitzschutz eingeprägten Blitzstoßspannung variiert, wobei die Funkenanfangspannung der Entladungsstreckeneinrichtungen im wesentlichen auf festem Niveau gehalten wird.

2. Blitzschutz nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzschaltungseinrichtung zwei Impedanzelemente (20, 21) aufweist, die jeweils mit dem Ventilblock (18) und den Entladungsstreckeneinrichtungen parallelgeschaltet sind, und von denen ein Impedanzelement (20) aus einer Serienschaltung eines Wider-

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Standes (24) und eines Kondensators (22) "besteht und das andere Impedanzelement (21) aus einer Parallelschaltung aus einem Widerstand (27) und einem Kondensator (25).

3. Blitzschutz nach Anspruch 1,

dadurch gekennzei chne t, daß die Entladungsstreckeneinrichtungen eine Umhüllung, deren luftdichte Kammer mit einem Isoliergas gefüllt ist, zwei zylindrische Elektroden (11, 12) die räumlich innerhalb der Umhüllung angeordnet sind, und eine Schaltungseinrichtung aufweisen, die an der Umhüllung angeordnet und mit Funkenloschspulen (13, 16) und Widerständen (H, 17) versehen istj wobei jede Funkenlös ehspule und jeder Widerstand mit jeder der zylindrischen Elektroden (11, 12) verbunden ist.

4. Blitzschutz nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet^ daß die Entladungsstreckeneinrichtungen eine Umhüllung, deren luftdichte Kammer mit einem Isoliergas gefüllt ist, zwei innerhalb der Umhüllung räumlich angeordnete zylindrische Elektroden (11, 12) und eine Dauermagneteinrichtung (38, 39) aufweisen, die an der Umhüllung angebracht und so angeordnet ist, daß sie ein Magnetfeld erzeugt, welches in axialer Richtung der zylindrischen Elektroden (11, 12) wirkt.

5. Blitzschutz nach Anspruch 3 und 4,

dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliergas Schwefelhexafluorid (SFg) ist.

6. Blitzschutz,

gekennzeichnet durch eine erste zylindrische Elektrode (211) mit einer oberen Umfangskante, eine zweite hohle zylindrische Elektrode (212) von geringerer Höhe als die erste zylindrische Elektrode (211), die die erste zylindrische Elektrode konzentrisch mit solchem Abstand umgibt, daß eine Entladungsstrecke (G) geschaffen wird, wobei die zweite hohle zylindrische Elektrode (212) eine obere Umfangskante hat, eine

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erste Einführelektrode (241), die sich horizontal von der oberen Umfangskante der ersten zylindrischen Elektrode (211) in tangentialer Richtung erstreckt und ein äußeres Ende mit einem Vorsprung (241a) hat, eine zweite Einführelektrode (242), deren geneigter Bereich (240) sich nach oben unter einem vorherbestimmten Winkel zu einer horizontalen Ebene gekrümmt längs des oberen Umfangsrandes der zweiten hohlen zylindrischen Elektrode (212) von einem Bereich der oberen Umfangskante an der zweiten hohlen zylindrischen Elektrode (212) erstreckt und deren horizontaler Bereich parallel zu der ersten Einführelektrode (241) in der gleichen Ebene angeordnet und in ähnlicher Weise mit einem Vorsprung (242a) versehen ist, wobei die Vorsprünge (241a, 242a) der ersten und zweiten Einführelektrode (241, 242) einander eng benachbart zugewandt sind und eine schmale Entladungsstrecke (G-) begrenzen, und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes, welches in axialer Richtung der ersten und zweiten zylindrischen Elektrode (211, 212) wirkt und einen bei Empfang einer Blitzstoßspannung in der schmalen Entladungs ε trecke (G.,) zwischen den einander dicht gegenüberliegenden Vorsprüngen (241a, 242a) der ersten und zweiten Einführelektrode (241, 242) erzeugten Entladungsbogen zunächst durch eine Entladungsstrecke zwischen der Innenwand des nach oben geneigten Bereichs (240) der zweiten Einführelektrode und der äußeren Umfangswand der ersten zylindrischen Elektrode (211 ^ die dem nach oben geneigten Bereich der zweiten Einführelektrode (242) zugewandt ist, und danach durch eine kreisförmige Strecke (G) leitet, die zwischen der Innenwand der zweiten hohlen zylindrischen Elektrode (212) und der Außenwand der ersten zylindrischen Elektrode (211) begrenzt ist.

7. Blitzschutz nach Anspruch 6,

dadurch gekennzei chnet, daß die erste und zweite zylindrische Elektrode (211, 212) und die erste und zweite Einführelektrode (241, 242) aus einem beliebigen Werkstoff der Gruppe aus leitfähigem Material, kohlenstoffhaltigem Material oder lichtbogenbeständigem Metall oder einer Legierung der-

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selten hergestellt sind.

8. Blitzschutz nach Anspruch 6,

dadurch gekennzei chnet, daß der sich nach oten erstreckende Bereich (240) der zweiten Einführelektrode (242) unter einem Winkel von ca. 30° gegenüber der Horizontalen geneigt ist.

9« Blitzschutz nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß der nach oten geneigte Bereich (240) der zweiten Einführelektrode (242) sich mindestens über den halten Umfang der zweiten äußeren hohlen zylindrischen Elektrode (212) hinweg erstreckt.

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