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Funkenstreckeneinrichtung Die Erfindung betrifft eine Funkenstreckenein- richtung, insbesondere für überspannungsableiter, mit einem ringförmigen Dauermagneten zur Erzeugung eines eine Wanderung des Lichtbogens bewirkenden magnetischen Flusses.
Derartige Überspannungsableiter bestehen im wesentlichen aus einer oder mehreren Funkenstreckenanordnungen, die in Reihe mit einem Widerstand geschaltet sind, der eine nichtlineare Charakteristik besitzt. Dieser Widerstand hat bei normaler Spannung, das heisst bei der Betriebsspannung der zu schützenden Anlage oder Leitung, einen hohen Wert. Bei einer vorherbestimmten Überspannung tritt jedoch plötzlich eine Verminderung des Widerstandswertes ein, so dass die Überspannung mit geringer Entladespannung zur Erde abgeleitet wird. Nach der Ableitung der Überspannung erhöht der Widerstand wieder seinen Wert, wodurch die Grösse des nachfolgenden Stromes auf einem kleinen Wert gehalten wird.
Durch die in Reihe geschalteten Funkenstrecken ist im normalen Betrieb die leitende Verbindung zwischen dem Ableiter und der Leitung, an die er angeschlossen ist, unterbrochen. Bei einer bestimmten Überspannung schlägt die Funkenstrecke über und schaltet damit den zwischen Leitung und Erde gelegenen Ableiter ein, wodurch die Überspannung sich gegen Erde entladen kann. Nach der Abführung der Überspannung hält der spannungsabhängige Widerstand den unter dem Einfluss der Betriebsspannung nachfliessenden Strom auf einem so kleinen Wert, dass er durch die Funkenstrecke unterbrochen werden kann.
Die bei diesen überspannungsableitern vorgenommenen Verbesserungen haben eine bessere Schutzcharakteristik der Widerstandselemente und insbesondere eine Verringerung der Entladespannung er- geben. Die Wirkung der geringen Entladespannung besteht in einer Vergrösserung des über den Ableiter nach der Abführung der Überspannung fliessenden Stromes, der durch die Funkenstrecke unterbrochen werden muss. Bei verhältnismässig kleinen Strömen versucht der Lichtbogen, über die Oberfläche der Elektrode der Funkenstrecke zu wandern, wodurch die Unterbrechung des Lichtbogens erleichtert und eine zu grosse Erwärmung der Elektroden an einer bestimmten Stelle verhindert wird.
Bei höheren Strömen, die durch die Verbesserung der Charakteristik des Widerstandselementes bewirkt werden, ist der Lichtbogen bestrebt, an einer Stelle der Elektroden zu bleiben. Die Konzentration des Stromes auf eine Stelle der Elektrode während einer längeren Zeit ist aber nicht erwünscht, weil hierdurch die Temperatur der im allgemeinen aus Messing bestehenden Elektrode über ihren Schmelzpunkt erhöht wird, so dass eine Verformung oder ein grosser Abbrand der Elektrode an dieser Stelle verursacht wird. Eine derartige Verformung bzw. Abbrand der Elektrode hat eine Änderung der Form der Oberfläche der Elektroden zur Folge, wodurch der wirksame Abstand zwischen den Elektroden und damit die Überschlagsspannung der Funkenstrecke verringert werden.
Ausserdem wird ihre Fähigkeit verringert, der wiederkehrenden Spannung nach einem Überschlag standzuhalten, so dass die Unterbrechung des Lichtbogens schwieriger ist. Durch die starke Erwärmung an einer Stelle der Elektroden wird die Wiederzündung des Lichtbogens nach einem Stromnulldurchgang erleichtert, wodurch die Löschung des Lichtbogens erschwert wird. Es ist daher wünschenswert, dass der Lichtbogen über die Oberfläche der Elektroden wandert. Ausserdem ist es erforderlich, dafür zu sorgen, dass die
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Funkenstrecke zuverlässig den nachfolgenden Strom unterbricht und dass ihre Charakteristik durch einen überschlag nicht verändert wird.
Man hat einen unerwünschten Abbrand bereits dadurch zu vermeiden versucht, dass man mit einem ringförmigen Dauermagneten einen Fluss erzeugte, der eine Wanderung des Lichtbogens bewirkt. Die bekannten Anordnungen sind jedoch sehr aufwendig, da bei ihnen der Magnet einen Teil der Elektroden bildet. Durch das erforderliche Zusammenpassen der Elektrodenteile wird die Herstellung und Montage stark erschwert. Ausserdem lässt die Magnetwirkung der bekannten Anordnungen zu wünschen übrig.
Bei der Erfindung wird eine Wanderung des Lichtbogens in weit einfacherer Weise dadurch erreicht, d'ass erfindungsgemäss der ringförmige Dauermagnet in radialer Richtung magnetisiert und in einer ringförmigen Ausbuchtung einer Elektrode angeordnet ist, deren dem Magneten abgekehrte Seite der Ausbuchtung zusammen mit einer anderen Elektrode eine ringförmige Funkenstrecke bildet.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Überspannungsableiters gemäss der Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen überspannungsableiter teilweise in Ansicht und teilweise im Schnitt und Fig. 2 die erfindungsgemäss ausgebildete Funkenstreckenein- richtung in grösserem Massstab.
Wie bereits ausgeführt, ist die Erfindung vorzugsweise für Funkenstreckeneinrichtungen von überspan- nungsableitern geeignet, jedoch ist die Anwendung der erfindungsgemässen Funkenstreckeneinrichtung nicht auf diesen speziellen Fall beschränkt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Funkenstreckeneinrichtung gemäss der Erfindung für einen überspannungsableiter mit spannungsabhängigem Widerstand dargestellt.
Wie Fig. 1 zeigt, ist der Ableiter in ein Porzellangehäuse 1 eingeschlossen, das an den Enden durch Metallflansche 2 abgeschlossen ist, die mit dem Gehäuse 1 durch Zement oder in anderer Weise verbunden sind. Die Metallflansche 2 dienen in bekannter Weise für den Anschluss der Leitungen und für die Aufstellung des Ableiters. Der Ableiter enthält eine Funkenstreckenanordnung 3, die in Reihe mit einem spannungsabhängigen Widerstand geschaltet ist, der aus einzelnen Widerstandsblöcken 4 besteht. Die Widerstandsblöcke können auf irgendeine hierfür geeignete Weise hergestellt werden, vorzugsweise aus körnigem Siliziumkarbid, das mit einem geeigneten Bindemittel, z.
B. kieselsaurem Natrium, gepresst und hiernach gebacken wird, wodurch Blöcke mit der gewünschten nichtlinearen Charakteristik entstehen. Die Widerstandsblöcke 4 sind säulenförmig in das Gehäuse 1 eingebaut, wobei die Zahl der verwendeten Widerstandsblöcke von der gewünschten Nennspannung des Ableiters abhängig ist.
Die Funkenstreckenanordnung 3 liegt in Reihe mit den Widerstandsblöcken 4 und ist im Ausführungsbeispiel in der :Mitte der Anordnung gelegen, kann aber auch am oberen oder unteren Ende der Widerstandsblöcke angeordnet werden. Die Funkenstrecke wird von einem Rohr 5 aus Porzellan oder anderem Isoliermaterial umgeben, das an den Enden durch Metallkappen 6 abgeschlossen ist, die luftdicht mit dem Rohr 5 verbunden sind. Die Funkenstreckenanordnung weist eine Mehrzahl von Funkenstreckenanordnungen 7 auf, deren Zahl von der Höhe der Spannung abhängig ist.
Die Ausbildung der Funkenstreckenanordnungen ist in Fig. 2 gezeigt. Die Funkenstreckenanordnung 7 besteht aus einem Paar nicht ebenen und spiegelbildlich zueinander angeordneten Elektroden 8, die mit ebenen Elektroden 9 zusammenarbeiten. Die Elektroden werden vorzugsweise aus Messing hergestellt, können jedoch auch aus irgendeinem anderen leitenden Material bestehen. Die Elektrode 8 hat eine ringförmige Ausbuchtung 10, die mit der entsprechenden Elektrode 9 eine ringförmige Funkenstrecke 11 bildet. Die Elektroden 8 und 9 sind durch ringförmige Zwischenlagen 12 voneinander getrennt, die den Abstand zwischen den Elektroden 8 und 9 und damit die Schlagweite der Funkenstrecke 11 bestimmen.
Die Zwischenlagen 12 können aus irgendeinem Isoliermaterial bestehen, werden aber vorzugsweise aus einem Material mit hohem Widerstand hergestellt, um die Spannungsverteilung längs der Funkenstrecken zu bestimmen. Bei jeder Funkenstrecke ist vorzugsweise ein Teil 13 zum Vorionisieren vorgesehen, der aus einem Isoliermaterial hoher Dielektrizitätskon- stante hergestellt ist, z. B. Rutil-Keramik. Der Teil 13 wird mit den Elektroden 8 durch eine Nietung verbunden. Der hierzu verwendete Niet 14 dient gleichzeitig zur Verbindung der beiden Elektroden B. Der Teil 13 erstreckt sich bis nahe an die ebenen Elektroden 9.
Bei einer steil ansteigenden Überspannung entsteht eine ionisierende Ausstrahlung, die die Funkenstrecke 11 vorionisiert, wodurch eine niedrige und konstante überschlagsspannung erzielt wird. Wenn es erwünscht ist, können Isolierkörper 15 vorgesehen werden, um die Zwischenlagen 12 vor dem Lichtbogen zu schützen. Wie bereits erwähnt wurde, wandert der Lichtbogen bei kleinen Strömen über die durch dieAusbuchtungen 10 derElektroden 8 gebildete ringförmige Oberfläche. Hierdurch wird eine zu starke örtliche Erwärmung der Elektroden verhindert und die Unterbrechung des Lichtbogens erleichtert.
Durch die Verbesserung der Schutzcharakteristik der Widerstandselemente ist aber bei den neuen überspannungs- ableitern der nachfolgende Strom, der unterbrochen werden muss, relativ hoch. Bei diesen hohen Strömen ist der Lichtbogen bestrebt, an einer Stelle der Elektroden zu bleiben, was die bereits erwähnten Nachteile zur Folge hat.
Die Erfindung beschäftigt sich deshalb mit Mitteln, die eine Wanderung des Lichtbogens über die Oberfläche der Elektroden unabhängig von der Grösse des Stromes sicherstellen. Zu diesem Zweck ist im
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Sinne der Erfindung, wie das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, für jedes Funkenstreckenpaar ein ringförmiger permanenter Magnet 16 vorgesehen, der im wesentlichen ein konstantes Feld erzeugt, das so gerichtet ist, dass es eine Wanderung des Lichtbogens bis zu seiner Löschung bewirkt. Der Magnet 16 ist in dem durch die Ausbuchtungen 10 der beiden Elektroden 8 gebildeten Raum untergebracht, so dass er keinen zusätzlichen Raum benötigt und in der dargestellten Lage gehalten wird.
Der ringförmige Magnet 16 ist in radialer Richtung magnetisiert (vgl. Fig.2), und zwar so, dass der Pol der einen Polarität sich längs des äusseren Umfanges des Magneten und der Pol der entgegengesetzten Polarität sich längs des inneren Umfanges des Magneten erstreckt. In dem ringförmigen Luftspalt 11 erzeugt der Magnet 16 ein magnetisches Feld, das an allen Punkten des Luftspaltes 11 im wesentlichen senkrecht zu dem Pfad einer Entladung, das heisst zum Lichtbogenpfad, gerichtet ist. Die Ausbildung des Feldes ist durch die gestrichelten Linien in Fig.2 dargestellt.
Wenn ein überschlag an der Funkenstrecke auftritt, so ist der Lichtbogenpfad senkrecht zum magnetischen Feld gerichtet, und der Lichtbogen wird daher in einer Richtung senkrecht zu seinem Pfad bewegt, und da sich das magnetische Feld längs der ringförmigen Ausbuchtungen 10 der Elektroden 8 gleichmässig erstreckt, wandert der Lichtbogen bis zu seiner Löschung längs der Ausbuchtungen im Kreis. Der Lichtbogen wird unabhängig von der Höhe des Stromes bewegt, wodurch eine zu starke örtliche Erwärmung der Elektroden vermieden wird.
Der permanente Magnet 16 kann aus irgendeinem magnetischen Material hergestellt werden, vorzugsweise aus Ferriten, die eine geringe Permeabili- tät besitzen, z. B. Barium-Ferrit (BaFe12019). Die Permeabilität dieses Materials ist ungefähr genau so gering wie die der Luft, während viele der Ferrite eine relativ hohe Permeabilität besitzen. Wenn ein Ring aus einem Material hoher Permeabilität in der in Fig. 2 gezeichneten Richtung magnetisiert wird, ist ein grosser Teil des magnetischen Flusses innerhalb des Materials selbst konzentriert, so dass nur ein schwaches Feld in dem Luftspalt der Funkenstrecke besteht.
Die geringe Permeabilität des verwendeten Materials erlaubt eine gleichmässige Verteilung des magnetischen Flusses, so dass sich ungefähr die in Fig.2 gezeichnete Feldverteilung ergibt, wobei sich ein grosser Teil des magnetischen Flusses, wie erwünscht, durch den Luftspalt der Funkenstrecke 11 erstreckt. Infolgedessen ist die geringe Permeabilität des für den permanenten Magneten 16 verwendeten Materials sehr vorteilhaft. Ein weiterer Vorteil des genannten Materials ist der grosse Widerstand gegen Entmagnetisierung durch äussere magnetische Felder oder andere äussere Einflüsse, wie Hitze oder Erschütterungen.
Viele für die Herstellung von permanenten Magneten .verwendeten Materialien werden verhältnismässig leicht durch solche Einflüsse ent- magnetisiert und müssen deshalb besonders vorsichtig behandelt und geschützt werden, um eine Ent- magnetisierung zu verhindern.
Die magnetische Stabilität des soeben genannten Materials macht dieses besonders gut für die Zwecke der Erfindung geeignet, da seine Magnetisierung unter den für gewöhnlich auftretenden Bedingungen nur unwesentlich abnimmt. Obwohl Barium-Ferrit als Material für die Herstellung des Magneten infolge seiner besonders vorteilhaften Eigenschaften angegeben wurde, können für die Herstellung des permanenten Magneten 16 auch andere hierfür geeignete Materialien verwendet werden, wobei solche Materialien zu bevorzugen sind, die eine geringe Permeabilität und eine grosse magnetische Stabilität besitzen.
Durch die Erfindung kann eine Funkenstreckeneinrichtung geschaffen werden, die sehr gute Eigenschaften besitzt, da Mittel vorgesehen sind, die den Lichtbogen entlang der Oberfläche der Elektroden bewegen. Es ist bereits vorgeschlagen worden, zu diesem Zweck eine Spule zu verwenden, die vom Ent- ladestrom durchflossen wird und ein magnetisches Feld erzeugt, das eine Wanderung des Lichtbogens bewirkt. Eine derartige Anordnung hat jedoch Nachteile und führt nicht immer zu einer Wanderung des Lichtbogens, da sich die Stärke des magnetischen Feldes mit der Stärke des Stromes ändert. Durch diese Anordnung wird also kein magnetisches Feld konstanter Feldstärke erzeugt.
Die benötigte Spule ist verhältnismässig gross und benötigt einen verhältnismässig grossen Raum, der nicht leicht zu schaffen ist. Ausserdem ist eine zusätzliche Funkenstrecke erforderlich, um die Spule selbst gegen überspannun- gen mit einer steilen Stirn zu schützen. Die Verwendung einer Magnetspule zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, das eine Wanderung des Lichtbogens bewirkt, stellt also keine befriedigende Lösung des Problems dar. Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile in einfacher und wirksamer Weise durch Verwendung eines permanenten Magneten; die Anordnung kann derart getroffen sein, dass der Magnet einer Elektrode der Funkenstreckeneinrichtung so zugeordnet ist, dass er keinen zusätzlichen Raum benötigt.
Die Verwendung eines permanenten Magneten ermöglicht die Erzeugung eines starken konstanten magnetischen Feldes, das unabhängig von der Stärke des Entladestromes ist. Zusätzliche Funkenstrecken oder andere Schutzmittel sind nicht mehr erforderlich.