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Stromunterbrechungseinrichtung für Überspannungsschutz Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromunterbrechungseinrichtung für Überspannungs- schutz.
Ein inzwischen bekanntgewordener Stromunterbrecher bei Blitzschutzeinrichtungen ist in der USA- Patentschrift Nr. 2 644116 beschrieben; dieser Unterbrecher enthält ein aufgeschichtetes elektrisches Ventilmaterial, eine elektromagnetische Spule und einzelne Luftspalte. Diese einzelnen Luftspalte, welche Kammern zum Unterbrechen von Lichtbogen bilden, bestehen aus je zwei Hauptelektroden und mehreren Hilfselektroden, welche sich zwischen zwei Isolier- körpern befinden. Die Spulenbaueinheit besteht aus einzelnen elektrischen Wicklungen, welche sich auf Spulenkörpern befinden.
Nachdem nun der Blitzschlag zur Erde abgeleitet worden ist, besteht die Aufgabe der Spulenbaueinheit darin, die nachfolgenden Lichtbögen, welche durch die Ströme der L7bertragungs- leitung gespeist werden, von den Hauptelektroden zu den Hilfselektroden zu bewegen, wo sie in mehrere kleine Lichtbögen aufgeteilt werden, wodurch der Strom von der Kraftstromleitung zur Erde unterbrochen wird, so dass dieser auf Null zurückgeht. In den einzelnen Luftspalteinheiten sind ferner Mittel vorgesehen, wie beispielsweise weitere Hilfselektroden, welche verhindern, dass zwischen benachbarten Luftspalteinheiten Funken überschlagen.
Das elektrische Ventilmaterial besteht aus einem Widerstandsstoff mit nichtlinearer Charakteristik, welche die Eigenschaft hat, bei sehr hohen Spannungen gegen Durchschläge einen relativ niedrigen Widerstand zu besitzen, hingegen eine relativ hohen Widerstand bei normaler Leitungsspannung.
Die oben beschriebene Einrichtung bei Blitzschutzeinrichtungen erfüllt ihre Funktion ausgezeichnet. Es ist jedoch immer ein Weg gesucht, die Grösse und die Kosten von bereits existierenden Stromunterbrechern zu vermindern.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Schaffung einer Blitzschutzeinrichtung, welche gegenüber bisherigen Blitzschutzeinrichtungen billiger herstellbar ist und kleinere Ausmasse besitzt, trotzdem jedoch vergleichbar arbeitet.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Stromunterbrechungseinrichtung für überspannungs- schutz die wenigstens eine Funkenstrecke mit mehreren im Abstand voneinander aufgestapelten Licht- bogenlöschplatten besitzt.
Die Stromunterbrechungs- einrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass die Platten mit Einschnitten versehen sind, welche sich von deren einen Seiten bis über mehr als die Längshälfte der Platten erstrecken, wobei wenigstens bei einigen Platten die an die Kanten der Einschnitte angrenzenden Teile der Platten wenigstens zum Teil aus metallischem, ma- gnetisierbarem Material bestehen, während die an den magnetisierbaren Teilen der Platten angrenzenden Teile mindestens an den das Ende der Einschnitte umgebenden Teilstücken des magnetisierbaren Materials wenigstens ein Stück aus nichtmagnetisierbarem Material besitzen, zum Zwecke, einen elektrischen Lichtbogen,
der mindestens annähernd senkrecht zu den Platten verläuft, von der einen Seite der Einschnitte in diese hineinzuziehen und durch Wirkung der in der Nähe des Endes der Einschnitte liegenden magnetischen Teile der Platten aufzuteilen.
In den beiliegenden Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Im einzelnen zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine Einrichtung zur Stromunterbrechung bei Blitzableitern,
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Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Einrichtung von Fig. 1, entlang der Linie 2-2, in grösserem Massstab, Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2, Fig. 4 eines weiteren Beispiels einer Platte, Fig. 5 eines dritten Beispiels einer Platte, Fig. 6 einen Querschnitt durch die Platte gemäss Fig. 5, entlang der Linie 6-6, Fig. 7 ein viertes Beispiel einer Platte,
Fig. 8 einen Querschnitt durch die Platte gemäss Fig. 7, entlang der Linie 8-8.
Fig. 1 zeigt einen Teil einer Blitzschutzeinrichtung, welcher ein Gehäuse 1 aus einem elektrisch isolierenden Material besitzt, in welchem sich ein als Ventil wirkendes Widerstandsmaterial 2 mit nichtlinearer Widerstandscharakteristik sowie Luftspalt- bzw. Unterbrechungskammern f ürLichtbögen befinden. Anden einander gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 1 befinden sich Abschlusskappen 4, welche mit dem Gehäuse mittels Gummidichtungsringen und Zement verbunden sind. Eine Feder 5 stellt oben den elektrischen Kontakt zwischen dem Teil 2 und der oberen Abschlusskappe 4 her.
Die Einrichtung wird zu Überspannungsschutzzwecken an elektrische Apparate und dergleichen angeschlossen, wobei eine Endkappe mit dem betreffenden Apparat und die andere mit Erde verbunden wird.
Jede Funkenstrecke, das heisst elektrische Unterbrechungseinheit 3 für Lichtbögen besitzt zwei metallische Kontaktplatten 6, welche durch zwei elektrisch isolierende und räumlich voneinander getrennte Stützkörper 7 in einem vorgegebenen Abstand gegeneinander abgestützt werden, wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist. Die Stützteile 7 befinden sich an einander gegenüberliegenden Stellen der Platten 6. Die Platten 6 sind vorzugsweise kreisförmig, da das Gehäuse selbst zylindrisch ist; sie müssen jedoch nicht unbedingt diese Form besitzen. Zwischen den Platten 6 und den Stützteilen 7 befinden sich eine Reihe von Platten 8 aus teilweise magnetisierbarem und un- magnetisierbarem Material.
Die Platten 8 sind im wesentlichen rechteckig - wenngleich auch andere Formen möglich sind - und besitzen Laschen 9, 9' und 9", die von den Längskanten der Platten abragen. Diese Laschen sind in Schlitze eingepasst, welche in die inneren Seitenflächen der Stützteile 7 eingeschnitten sind. Die Teile 6, 7 und 8 werden in der dargestellten Anordnung durch Schrauben 10 zusammengehalten, die durch Bohrungen in den Platten 6 verlaufen und in Gewindebohrungen in den Teilen 7 eingeschraubt sind.
Jede Platte 8 besitzt einen länglichen Einschnitt 11, welcher sich in der Fig. 3 von der linken Kante bis über die Längsmitte der Platte hinaus in die Nähe der rechten Kante erstreckt. Die Platten 8 mit den Einschnitten 11 sind identisch und liegen im Abstand voneinander genau übereinander. Zwischen den einzelnen Platten 8 befindet sich jeweils nur ein kleiner Luftspalt, so dass sie keine gemeinsamen Kontaktpunkte besitzen. Eine Stumpfschweissverbindung 12 zeigt die Grenzlinie zwischen dem magnetischen und dem unmagnetischen Teil der Platte B.
Der Teil 8', links von der Verbindungslinie 12, besteht aus einem metallischen, magnetischen Material, wie beispielsweise Eisen oder Stahl, der Teil 8" an der rechten Seite der Verbindungslinie 12 besteht hingegen aus nichtmagnetischem, metallischem Material, wie beispielsweise aus Messing. Die Teile 8' und 8" können beispielsweise durch Stanzen hergestellt werden, wonach sie zu der aus magnetischem und nichtmagnetischem Material bestehenden Platte 8 mittels einer Hart- lötnaht oder mittels Schweisspunkten 13 zusammengesetzt werden.
Mit den Kontaktplatten 6 sind Elektroden 14 verbunden, zwischen welchen sich der Lichtbogen ausbilden kann. Die Elektroden 14 befinden sich in einer Ebene, welche rechtwinklig zu den durch die Platten 6 und 8 bestimmten Ebenen verlaufen, und zwar an dem linken Ende der Einschnitte 11. Die am weitesten innen gelegenen Kanten 14' der Elektroden 14 haben einen geringeren Abstand voneinander als alle weiteren Elektrodenteile, so dass zwischen ihnen die Lichtbogenzündung stattfindet.
Die Kanten 14" der Elektroden 14, welche zu den geschlossenen Enden der Schlitze 11 hin gerichtet sind, entfernen sich, von den Kanten 14' aus gesehen, immer weiter voneinander und wirken wie eine Fun- kenlöscheinrichtung mit Körnerelektroden, da sie den anfänglichen Lichtbogen bei einer Fortbewegung von links nach rechts verlängern.
Wie ohne weiteres einzusehen ist, ist der Lichtbogen nach der Zündung bestrebt, den Energiefluss über die Elektroden 14 aufrechtzuerhalten. Es sei angenommen, dass dabei der Strom von oben nach unten fliesst. Hierdurch wird jedoch durch den Lichtbogen ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Fluss- richtung im Uhrzeigersinn verläuft. Dieser Fluss verläuft in dem magnetischen Teil 8' um die rechte Kante des Einschnittes 3 herum und über den Schlitz 11 in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
In Fig. 3 ist die Lichtbogenstrom- richtung durch den Kreis 30 mit eingeschriebenem Kreuz angezeigt, das magnetische Flussbild durch die strichpunktierten Linien 31 und die Flussrichtung durch die Pfeile in den strichpunktierten Linien. Die gegenseitige Beeinflussung zwischen dem magnetischen Feld und dem Lichtbogen bewirkt eine auf den Lichtbogen einwirkende Kraft, welche ihn in die Richtung des Pfeils 32 zu bewegen bestrebt ist. Das bedeutet aber, dass der Lichtbogen in Übereinstimmung mit der rechten Handregel von links nach rechts gezogen wird. Der Lichtbogen wird somit an die rechte Seite des Teils 8' gezogen und in eine Reihe von Einzellichtbogen zwischen den übereinanderliegenden Platten 8 aufgeteilt.
Wären die nichtmagnetischen Teile 8' nicht vorgesehen, kämen die Teillichtbögen bei ihrer Bewegung nach rechts auf das Gebiet der Teile 8' und auf die rechte Seite der Einschnitte 11, kämen dann
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jedoch nicht zum Stehen, sondern würden an die Aussenkanten der Platte 8 wandern und sich dort wieder zu einem einzigen Lichtbogen vereinigen, was auch zu einem Funkenüberschlag zwischen zwei benachbarten Luftspalteinheiten 3 führen kann. Durch die Anordnung der nichtmagnetischen Teile 8" wird dies jedoch verhindert und ein Erlöschen des Lichtbogens erreicht.
Die Platten 8, welche relativ nahe beein- anderliegen, begrenzen die zwischen ihnen bestehenden Teillichtbögen und bewirken deren Kühlung, so dass diese Teillichtbögen bei einem Nulldurchgang der Spannung erlöschen und der Strom bei dem nachfolgenden Spannungsanstieg unterbrochen bleibt.
Die Trennungslinie 12 verläuft in der Nähe des konvergierenden Teils des Schlitzes 11 zunächst zu diesem Schlitz hin und anschliessend wieder von ihm weg, so dass eine enge Stelle in der magnetischen Fläche entsteht. Rechts von dem Einschnitt 11 umschliesst die Grenzlinie 12 eine etwas weitere und im wesentlichen runde magnetische Fläche, in welcher sich auch die Spitze des Einschnittes 11 befindet. Die Lichtbögen beenden ihre Wanderung in unmittelbarer Nähe des Mittelpunktes dieser kreisförmigen Fläche der magnetischen Platte oder in diesem Mittelpunkt selbst, da, wenn sich die Lichtbögen an diesen Stellen befinden, das durch diese erzeugte magnetische Feld einen im wesentlichen symmetrischen, kreisförmigen Fluss in der angenähert kreisförmigen magnetischen Fläche bewirkt.
Die Lichtbögen gelangen dabei nicht auf die unmagnetischen Teile 8", da, wenn sich die Lichtbögen der Grenzlinie 12 nähern, das symmetrische Flussbild verzerrt oder verändert wird, weil sich der magnetische Fluss einen Pfad geringsten magnetischen Widerstandes in dem magnetischen Teil der Platte 8' sucht. Eine derartige Formveränderung des Flussbildes hat jedoch zur Folge, dass die Lichtbögen zurück in das Zentrum des kreisförmigen Teils der magnetischen Platte oder in die Nähe derselben hingezogen werden. Das bedeutet jedoch, dass - auch mit ansteigendem magnetischem Widerstand des Plattenteils 8" - das magnetische Feld um die Lichtbögen sich immer mehr einem symmetrischen, kreisförmigen Fluss angleicht.
Ein gewisses Wandern der Lichtbögen in dem kreisförmigen Teil der Platte zu der rechten Seite des Einschnittes 11 kann jedoch auftreten. Ein derartig begrenztes Wandern ist jedoch insofern vorteilhaft, als bei an einem Punkt verbleibenden Lichtbögen nur eine geringe Kühlung durch die Platten erfolgt; es können bei stillstehenden Lichtbögen auch eine metallische Verdampfung der Platten infolge der Wärmekonzentration auftreten. In gleicher Weise verhindern die engen Stellen des Plattenteils 8' bei den konvergierenden Kanten des Einschnittes 11, dass die Lichtbögen zurück auf die linke Seite des Plattenteils 8' oder in die Nähe des isolierenden Körpers 7 zurückwandern.
Wenn die Lichtbögen in Kontakt mit den isolierenden Teilen 7 oder in deren Nähe kommen könnten, bestände die Gefahr, dass zwischen den einzelnen Platten 8 an der Innenfläche der Körper 7 ein Strompfad entsteht. Derartige Strompfade vermindern jedoch die Wirksamkeit der Einrichtung, Kraftströme zu unterbrechen und ferner die Wahrscheinlichkeit, dass ein Lichtbogen gelöscht wird. Solche Stromleitungspfade würden ferner die Verwendung einer äusseren Lichtbogenstrecke in Reihe mit der Löschvorrichtung erforderlich machen, da derartige Leitungspfade Kriechströme gegen Masse verursachen können, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegenüber Dauerspannungen vermindert wird.
Auf Grund ähnlicher überlegungen wurden bei der beschriebenen Einrichtung auch die rechten Kanten der Platten 8 nicht mit elektrisch isolierenden Abstandsstücken oder dergleichen versehen, vielmehr befinden sich auch hier freie Luftspalte zwischen den Platten, welche freien Zugang zu dem Inneren des Gehäuses 1 besitzen. Befänden sich an den rechten Kanten der Platten 8 elektrische Isolier- körper, könnten die Lichtbögen selbst oder deren Hitze an diesen Isolierkörpern Stromleitungspfade erzeugen. Elektrisch isolierendes Material könnte hier ferner eine Gasentwicklung bewirken, wenn es von Lichtbögen oder deren Wärmestrahlung beaufschlagt würde.
Bei der beschriebenen Einrichtung ist das Gehäuse 1 abgedichtet, und somit Gasentwicklung unerwünscht, da sich in dem Gehäuse sonst gefährliche Drücke aufbauen könnten.
Die vorliegende Anordnung wurde bereits mit einer bekannten Einrichtung zur Lichtbogenunter- brechung verglichen, welcher in der USA-Patentschrift Nr. 2 644116 beschrieben ist. Die Einrichtung gemäss der vorliegenden Beschreibung gestattet es jedoch, einen gleichen Strom zu unterbrechen wie die entsprechende bekannte Einrichtung, wenn eine gleiche Anzahl von einzelnen Luftspalten als in Serie geschaltete Hilfsfunkenstrecken vorhanden sind und an gleichen Spannungen liegen. Bei den vorliegenden Beispielen werden jedoch die Ausmasse und die Gestehungskosten um etwa 30% gesenkt. Diese Einsparung an Kosten und Raum ist teilweise darauf zurückzuführen, dass keine elektromagnetische Spule mehr verwendet wird, wei dies bei der erwähnten Einrichtung erforderlich ist.
Ein wesentlicher Teil der Einsparung an Raum und Kosten wird jedoch durch die Form der Anordnung der Stromunterbrechungsein- richtung 3 hervorgerufen. Es kann angenommen werden, dass diese Tatsache aus einer Prüfung der USA- Patentschrift Nr. 2 644116 direkt hervorgeht, da ohne weiteres ersichtlich ist, dass bei der bekannten Einrichtung eine grössere Anzahl von kostspieligeren und komplizierteren Teilen verwendet werden müssen.
Es ist ferner nicht anzunehmen, däss durch eine geometrische Verkleinerung dieser Teile Kosten oder Raum eingespart werden können, da diese Teile dann immer noch kompliziert und sehr kostspielig wären, ferner könnten durch eine Verkleinerung die Isolationseigenschaften gegenüber den hohen auftretenden Spannungen beeinträchtigt werden.
Die zusammengesetzte magnetische und nichtmagnetische Platte 15 von Fig. 4 besteht aus einem Teil 15' aus magnetischem Material und einem Teil
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15" aus nichtmagnetischem Material. Wie bei Fig. 3 sind die Teile 15' und 15" ineinander eingesteckt und besitzen sich ergänzende innere und äussere Kanten, welche zusammengesteckt die Verbindungslinie 16 bilden. Die Teile 15' und 15" können durch Schwei- ssen, Hartlöten oder dergleichen zu einer gemeinsamen Platte 15 verbunden werden.
Bei Fig.4 erstreckt sich der nichtmagnetische Teil 15" ganz um dasjenige Teilstück des magnetischen Teils 15', welches die Einbuchtung 17 umgibt, im Gegensatz zu den Platten gemäss Fig. 3, bei welchen das Teil 8" lediglich die Teilstücke des Teils 8' umgibt, die sich in unmittelbarer Nähe des Endes der Einbuchtung befinden. Die Anordnung gemäss Fig. 4 verhindert somit zusätzlich eine Kontaktbildung zwischen dem Lichtbogen und den Stützteilen aus isolierendem Material, welche in Fig. 3 mit 7 bezeichnet sind. Im Bedarfsfalle kann der Teil 15' bei den konvergierenden Kanten des Schlitzes 17 Verengungen aufweisen, in der gleichen Weise wie bei Fig. 3, um somit ein Zurückwandern der Lichtbogen zu der linken Seite der Platte 15 zu verhindern.
Die aus magnetischem und nichtmagnetischem Material zusammengesetzte Platte 18 der Fig. 5 und 6 wird durch Aufbringung eines geeigneten nichtmetallischen elektrischen Überzuges 19 mit einer Ausnahme an allen Teilen der metallischen Platte aus magnetischem Material 20 gewonnen. Diese Ausnahme betrifft einander gegenüberliegende Kreisgebiete an den entgegengesetzten Seiten der metallischen Platte 20, welche Gebiete die Enden der Schlitze 21 umgeben und bei der Aufbringung des Überzuges 19 abgedeckt waren.
Das Prinzip der Steuerung des Lichtbogens in den Fig. 5 und 6 hängt nicht von der Aufrechterhaltung eines praktisch symmetrischen und kreisförmigen magnetischen Flusses um die Lichtbogenenden an den unbeschichteten Teilen der magnetischen Platte 20 ab. Der magnetische Fluss bewirkt lediglich, dass der Lichtbogen an den inneren Kanten des Schlitzes 21 Teillichtbögen bildet. Stattdessen bewirkt der Überzug 19 einen sehr hohen Widerstand, so dass der Lichtbogen anstatt den Überzug 19 zu durchschlagen, auf dem Pfad geringsten Widerstandes an den nicht überzogenen Teilen der Platte 20 verbleibt. Diese Ausführungsform der Erfindung führt jedoch in gleicher Weise wie bei den bereits besprochenen Ausführungsformen der Erfindung zu den erwähnten Vorteilen.
Die Platteneinheit 22 der Fig. 7 und 8 besteht aus einer metallischen, magnetischen Platte 23 mit einer im wesentlichen U-förmigen Ausbuchtung 24, welche sich an der rechten Seite der Platte 23 befindet und das am weitesten links gelegene Ende der Einbuchtung 25 umgibt. In der Ausbuchtung 24 befindet sich ein hoch temperaturbeständiger nichtmetallischer Einsatz 26, beispielsweise aus Keramik.
Es sei darauf hingewiesen, dass ein Überzug 19 sowie ein Einsatz 26 bei der Herstellung eine höhere Sorgfalt verlangen als die metallischen nichtmagnetischen Einsätze 8" und 15", weswegen den Ausführungen gemäss Fig. 3 und 4 der Vorzug zu geben ist. Die Wirkungsweise des Beispiels der Fig.7 und 8 ist jedoch ähnlich wie diejenige des Beispiels der Fig. 3.
Nicht alle Platten, wie beispielsweise die Platten 8 bei Fig.2, müssen unbedingt eine Kombination aus magnetischem und nichtmagnetischem Material sein. Einige Platten können auch ausschliesslich aus nichtmagnetischem Material bestehen, z. B. aus Messing; es kann hierbei angenommen werden, dass das magnetische Material der übrigen Platten ausreicht, um eine Steuerung der Lichtbogenbewegung zu bewirken. Fernerhin müssen die Isolationen 7, 19 und 26 der dargestellten Ausführungsbeispiele nicht unbedingt so beschaffen sein, dass sie bei Lichtbogeneinwirkung keine Gase erzeugen, da die beschriebenen Einrichtungen unabhängig von Gasströmen arbeiten" welche den Lichtbogen bewegen oder auslöschen sollen.