DE887068C - Kondensator mit einer parallel geschalteten Funkenstrecke - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 20. AUGUST 1953

S 4745VIIIb j 2j c

ist in Anspruch genommen

Bekanntlich werden oftmals Kondensatoren verwendet, um den induktiven Widerstand einer Leitung zu kompensieren und damit die Spannungsregelung zu verbessern und die Stabilität zu erhöhen. Kondensatoren werden auch mit Verbrauchern mit schwankendem Energiebedarf, wie Schweißmaschinen und elektrischen Öfen, 'in Reihe geschaltet, um den induktiven Widerstand der Verbraucher zu kompensieren und damit die Wirkung der Spannungsstöße im Netz abzuschwächen. Da diese Kondensatoren in der Leitung liegen, werden sie vom Leitungsstrom durchflossen und die Spannung am Kondensator ist daher dem Strom proportional. Aus diesem Grund steht ein solcher Kondensator bei Kurzschlüssen im Netz oder starken Überlastungen unter sehr hohen Spannungen. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es jedoch nicht zweckmäßig, die Kondensatoren mit Rücksicht auf diese Höchstspannungen zu bemessen. Die Kondensatoren wurden daher gewöhnlieh so ausgelegt, daß sie eine Überspannung von 150% der Nennspannung sehr kurze Zeit und 200% der Nennspannung einen Augenblick lang aushalten, wobei eine Funkenstrecke parallel zum Kondensator gelegt wurde, die praktisch gleichzeitig mit dem Auftreten einer schädlichen Überspannung durchschlägt. Dabei ist eine genaue Bemessung der Funkenstrecke wesentlich. Wegen

des Abbrerinens der Elektroden durch den hierbei auftretenden Lichtbogen ändern sich aber die Abmessungen der Funkenstrecke nach ihrer wiederholten Inanspruchnahme. Ein zuverlässiges Arbeiten der angegebenen Schutzeinrichtung, ist daher nicht gewährleistet, so daß selbst bei ihrer Verwendung Beschädigungen des Kondensators eintreten können.

Dieser Mangel wird gemäß der Erfindung dadurch behoben, daß die Elektroden der Funkenstrecke durch eine stromabhängige Einrichtung miteinander in Berührung gebracht werden, wenn Strom über die Funkenstrecke fließt. Der Lichtbogen erlischt daher kurz nach seinem Entstehen, so daß die Beanspruchung der Elektroden wesentlich vermindert wird. Eine einmal richtige Bemessung der Funkenstrecke bleibt daher auch nach längerem Betrieb praktisch vollkommen erhalten. In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist die Erfindung zunächst an einem Ausführungsbeispiel veranschaulicht, wobei die stromabhängige Einrichtung als Solenoid ausgebildet ist.- Die mit dem Solenoid 2 in Reihe geschaltete Funkenstrecke 1 liegt parallel zu einem Reihenkondensator oder einer anderen zu schützenden Einrichtung. Hierbei besitzt die Funkenstrecke 1 ein Paar Elektroden 3 und 4 aus Kupfer oder Messing. Diese Elektroden besitzen gewöhnlich einen geringen Abstand von vorzugsweise 1 oder 2 mm voneinander, um die erforderliche niedrige Durchschlagsspannung zu gewährleisten. Die unbewegliche untere Elektrode 3 ist an einem Unterteil 5 durch eine Mutter 6 und einen Sicherungsring 7 befestigt, die an dem einen Ende der Elektrode angeordnet sind. Ein Leiter 8 ist unter dem Sicherungsring 7 festgeklemmt, um die Schutzeinrichtung anschließen zu können. Die bewegliche obere Elektrode 4 wird in der üblichen Lage im Abstand von der unteren Elektrode durch eine Schraubenfeder 9 gehalten, die einerseits am

+0 oberen Ende der Elektrode und andererseits am Schraubenbolzen 10 befestigt ist. Der Schraubenbolzen 10 reicht durch eine oben angeordnete Isolierplatte 11, die am Unterteil 5 durch die Schraubenbolzen 12 verankert ist. An diesen Schraubenbolzen sind zum Festhalten der Isolierplatte Muttern 13 und Sicherungsringe angeordnet. Der Bolzen 10 kann mittels der Flügelmutter ϊ'4 verstellt werden, so daß die Spannung der Feder 9 verändert wird.

Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden 3 und 4 in einer luftdichten Kammer angeordnet, in der ein Druck zwischen 10 cm und 0,1 cm Quecksilbersäule herrscht. Das ist von besonderem Vorteil, da bei einer in einem Raum mit einem derart niedrigen Druck angeordneten Funkenstrecke praktisch kein Abbrennen bzw. keine Erosion der Elektroden auftritt. Das ist auf die niedrige Stromdichte an den Elektroden zurückzuführen. Def Abstand der Elektroden kann daher klein gehalten und genau für die gewöhnlich vorhandene niedrige Durchschlagsspannung von wenigen hundert Volt bemessen werden. Außerdem ist bei dieser Niederdruckfunkenstrecke die Durchschlagsspannung von wesentlich kleinerem Wert als bei gewöhnlichem Luftdruck. Die Wiederzündungs- und Lichtbogenlöschspannung hingegen sind nicht wesentlich verändert. Das Verhältnis von Durchschlagsspannung zu Löschspannung ist daher sehr klein. Eine auf diese Weise untergebrachte Funkenstrecke ist daher selbstlöschend. Der Lichtbogen zündet also nach dem Durchgang des Stromes durch Null nicht wieder, auch wenn die Spannung an der Funkenstrecke nur wenig geringer als die Durchschlagsspannung ist. Im vorliegenden Fall wird die unter Druck stehende Kammer durch einen¹⁷ Zylinder 15 aus Porzellan od. dgl. und Bodenbzw. Deckelteile 16 gebildet. Die genannten Bodenbzw. Deckelteile werden vorzugsweise aus Messing hergestellt und sind mit dem Porzellanzylinder, insbesondere durch Lötung, luftdicht verbunden. Der Zylinder wird hierbei an den Lötstellen platinisiert, um die luftdichte Verbindung zu gewährleisten. Ein Blasebalg 17 ist mit der oberen Elektrode 4 verlötet, wie bei 18 angedeutet ist. Auch mit dem Deckelteil 16 ist der genannte Blasebalg, wie bei 19 angedeutet, verlötet, um eine Bewegung der Elektrode 4 ohne Zerstörung des luftdichten Abschlusses zu ermöglichen. Ferner ist am Bodenteil 16 ein Anschluß 20 für eine Pumpe vorgesehen, durch die der Druck in der Kammer auf den gewünschten Wert vermindert werden kann. Danach wird der Anschluß 20 luftdicht verschlossen.

Das genannte Solenoid 2 dient zur Bewegung der Elektrode 4 nach Entstehen des Lichtbogens. Dieses Solenoid wird vorteilhaft unmittelbar über der Funkenstrecke 1 angeordnet. Im vorliegenden Fall wird es durch eine Isolierplatte 21 abgestützt, die sich unmittelbar oberhalb der Funkenstrecke 1 befindet. Durch eine andere Isolierplatte 22 wird das Solenoid in seiner Lage festgehalten. Die zuletzt genannte Platte selbst wieder wird durch Muttern 23 auf dem mit Gewinde versehenen Bolzen 12 festgehalten. Die Elektrode 4 ist innerhalb eines zylindrischen Eisenkerns 24 des Solenoids angeordnet. Die Elektrode trägt ferner einen Eisenanker 25, der die Form einer Scheibe besitzt. Der genannte Anker ist an der Elektrode durch eine Mutter 26 befestigt. Das beschriebene Solenoid no ist mit der Funkenstrecke durch den Leiter 27 in Reihe geschaltet, der durch die genannte Mutter 26 mit der Elektrode 4 verbunden ist. Das andere Ende des Solenoids ist mittels des Leiters 28 an einen der Bolzen 12 durch Festklemmen unterhalb der Mutter 29 angeschlossen. Ein weiterer Leiter 30 liegt unterhalb der Mutter 31, um die Verbindung mit dem Außenstromkreis herzustellen.

Die Fig. 2 läßt erkennen, daß die neue Schutzeinrichtung unmittelbar an die Klemmen eines Reihenkondensators angeschlossen werden kann. Die genannte Figur zeigt hierbei eine Einphasenwechselstromleitung 32, die durch einen Transformator 33 gespeist wird. Eine in der Leitung liegende Belastung ist hierbei mit 34 bezeichnet. Der Kondensator 35 liegt in der Leitung, um den

induktiven Widerstand des Kreises ganz oder zum Teil zu kompensieren.

Im folgenden wird das Arbeiten der Schutzeinrichtung näher beschrieben. Der Abstand zwischen den Elektroden in ihrer üblichen getrennten Stellung und der Druck in der diese umgebenden Kammer sind so eingestellt, daß die gewünschte Durchschlagsspannung vorhanden ist. Diese beträgt etwa 200 °/o der Betriebsspannung des Kondensators 35. Tritt nun als Folge eines Kurzschlusses oder einer großen Überlastung am Kondensator eine die Durchschlagsspannung übersteigende Spannung auf, so wird sich sofort ein Lichtbogen bilden. Der Kondensator wird daher überbrückt und vor der Überspannung geschützt. Der über die Funkenstrecke gehende Strom fließt gleichzeitig durch das damit in Reihe geschaltete Solenoid 2. Wenn der Überstrom langer als wenige Halbperioden andauert, dann wird die bewegliche Elektrode 4 gegen die Federkraft nach unten gezogen, so daß die Elektroden 3 und 4 in Berührung gebracht werden. Der Lichtbogen wird daher gelöscht und ein Nebenschlußkreis um den zu schützenden Kondensator gebildet. Sinkt nun der durch das Solenoid fließende Strom auf einen vorbestimmten Wert ab, dann wird die Federkraft die magnetische Kraft des Solenoids übertreffen und die Elektrode in ihre gewöhnliche Stellung nach oben gegen den Deckel 16 ziehen. Auf diese Weise wird der Nebenschlußkreis unterbrochen und der Kondensator 35 wieder in Betrieb gesetzt. Der Stromwert, bei dem die Elektroden getrennt werden, kann durch Einstellung der Federspannung mittels der Flügelmutter 14 eingeregelt werden. Dauert hingegen die Überspannung nur einige Halbperioden an, so werden die Elektroden nicht zusammen bewegt. Der Lichtbogen wird dann, insbesondere wegen des vorhandenen Niederdruckes, sofort verlöschen.

In den Fig. 3 und 4 ist ein weiteres Ausführuugsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die gezeigten scheibenförmigen Elektroden 36 und 37 besitzen eine verhältnismäßig große Fläche und bestehen aus Kupfer. Sie können jedoch auch aus einem anderen Metall guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. Messing, hergestellt sein. Auch hier sind die Elektroden wieder in einer luftdichten Kammer untergebracht, die aus einem schüsseiförmigen Unterteil 38 und einer oben befindlichen Platte 39 besteht. Diese beiden Teile sind bei 40 luftdicht miteinander verbunden. Die angeführten Teile der Kammer sind vorzugsweise aus der unter dem Namen Kovar bekannten Nickel-Eisen-Kobalt-Legierung hergestellt, die Dichtung 40 hingegen aus Glas. Das ist von besonderem Vorteil, weil die genannte Legierung die Eigenschaft besitzt, sich mit Glas luftdicht zu verbinden. An der oberen Platte 39 ist wieder ein Anschluß 41 für eine Pumpe vorgesehen. Die feststehende untere Elektrode 36 ist vorzugsweise in einer Ausnehmung in dem schüsseiförmigen Unterteil 38 derart angeordnet, daß sie damit elektrisch gut leitend verbunden ist. Duixh einen feuerbeständigen Isolierring 42 soll verhindert werden, daß der Lichtbogen auf den schüsseiförmigen Teil überschlägt. Ein weiterer feuerbeständiger Isolierring 43 ist am Umfang der oberen Elektrode 37 vorgesehen, um eine Ausdehnung des Lichtbogens über die Elektroden hinaus zu verhindern. Die obere Elektrode 37 ist beweglich und kann mit der unteren Elektrode 36 durch eine auf Wärme ansprechende Einrichtung in Berührung gebracht werden. Diese ist im vorliegenden Fall als verhältnismäßig große Bimetallscheibe 44 ausgebildet. Die Elektrode 37 ist an dieser Scheibe 44 vorzugsweise über einen kurzen Bolzen 45 befestigt, während die Scheibe an der oberen Platte 39 durch Bolzen 46 aufgehängt ist. Diese Bolzen sind im Abstand voneinander am Umfang angeordnet. Außerdem ist die Scheibe 44 an der Platte 39 durch biegsame Leiter 47 angeschlossen. Die Leiter des äußeren Stromkreises werden mit den Teilen 38 und 39 verbunden, die gegeneinander durch die Dichtung 40 isoliert sind. Auch die zuletzt beschriebene Schutzeinrichtung ist wieder unmittelbar an die Klemmen eines Reihenkondensators angeschlossen, wie aus Fig. 4 zu entnehmen ist. ■ An eine von einem Transformator 51 gespeiste Einphasenwechselstromleitung 50 ist hierbei eine Last 52 angeschlossen. Die beschriebene Schutzeinrichtung ist mittels der Leiter 54 und 55 wieder parallel zu einem Kondensator 53 an die Leitung gelegt.

Dauert bei der in Fig. 3 dargestellten Schutzeinrichtung die Spannung langer als wenige Halbperioden an, so erwärmt die von dem Lichtbogen erzeugte Hitze die Bimetallscheibe so lange, bis sie durchschnellt und die obere Elektrode 37 mit der unteren Elektrode 36 in- Berührung gebracht wird. Der durch die Scheibe 44 fließende starke Strom trägt auch unmittelbar dazu bei, die Temperatur der Scheibe schnell zu erhöhen. Bei Berührung der Elektroden wird der Lichtbogen gelöscht und ein Nebenschlußstromkreis parallel zum Kondensator 53 hergestellt, so daß dieser wieder vor Überspannung geschützt ist. Nach Löschung des Lichtbogens beginnen die Bimetallscheibe 44 und die Elektroden 36 und 37 sich abzukühlen. Nach einer bestimmten Zeit springt daher die Bimetallscheibe 44 in ihre Ausgangsstellung zurück, wodurch die Elektroden getrennt und der Nebenschlußkreis geöffnet werden. In den meisten Fällen wird während dieser Zeit der Kurzschluß auf der Leitung durch die üblichen Schutzeinrichtungen abgeschaltet sein. Ist jedoch in besonderen Fällen nach Trennung der Elektroden noch Überspannung vorhanden, so wird die Funkenstrecke wieder durch einen Lichtbogen überbrückt, und der gleiche Vorgang wiederholt sich. Die Trennung der Elektroden verursacht keinerlei Schaden, da hierbei in der Regel nur der gewöhnliche Laststrom unterbrochen wird.

Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht. Dabei ist die untere Elektrode 60 verschiebbar in einem Porzellanrohr 61 angeordnet und als verhältnismäßig langer Stab ausgebildet, der aus Kupfer, Messing od. dgl. be-

steht. Das untere Ende des Rohres 6i ist mit einer Kappe Ö2, beispielsweise aus Messing, abgedeckt, die mit dem Rohr durch Lötung bei 63 dicht verbunden ist. Die Oberfläche des Porzellanrohres ist hierbei zweckmäßig platinisiert. Die Elektrode 60 ist gegenüber der Kappe 62 durch den Klemmenbolzen 64 verstellbar, der über eine Verlängerung 65 am Ende der Elektrode geschraubt ist. Die Anordnung ist dabei derart ausgestaltet, daß der Eintritt von Luft in das Rohr 61 verhindert wird. Nahe dem oberen Ende der Elektrode 60 können nötigenfalls scheibenförmige Verstärkungen 66 vorgesehen sein, um die Wärmestrahlung der Elektrode beim Durchschlagen der Funkenstrecke zu verstärken.

Die Funkenstrecke ist wieder in einer luftdichten Kammer eingeschlossen, die durch ein zylindrisches Messinggehäuse 67 gebildet wird. Das in dieses Gehäuse eingesetzte Porzellanrohr ist mit

ao jenem bei 68 z. B. durch Löten luftdicht verbunden. Auch sonst ist das Messinggehäuse, insbesondere durch Löten aller Verbindungsstellen, luftdicht abgeschlossen. Ein Anschluß 69 ist wieder für eine Pumpe vorgesehen.

Die obere Elektrode 70 ist aus einem hitzebeständigen Metall, z. B. Tungsten, hergestellt, damit sie die durch Entladungen langer Dauer verursachten hohen Temperaturen aushalten kann. Aus dem gleichen Grund kann auch die obere Fläche der Elektrode 60 aus Tungsten hergestellt sein. Die Elektrode 70 ist wieder an einer großen Bimetallscheibe 71 verankert, welche hier an drei Punkten ihres Umfanges auf Konsolen 72 ruht, die an der inneren Wand des Gehäuses 67 befestigt sind. Bolzen 73 und Federn 74 halten die Scheibe 71 an den Konsolen 72 nachgiebig fest, um bei freier Beweglichkeit eine gute elektrische Verbindung mit dem Gehäuse 6γ zu gewährleisten. Ein mit einem Gewinde versehener Stift 75 erstreckt sich durch das obere Ende des Gehäuses 67 bis zu einer Kontaktplatte 76 an der Bimetallscheibe, um die Aufwärtsbewegung der Scheibe zu begrenzen und somit den Abstand der Elektroden voneinander zu bestimmen. Der Stift 75 ist in den Klemmenbolzen 77 eingeschraubt, so daß eine Einstellung des Abstandes möglich ist.

Gemäß Fig. 6 ist die zuletzt beschriebene Schutzeinrichtung auf elektrisch leitenden Winkelkonsolen 78 angeordnet, die an den Klemmen 79 eines Kondensators 80 und den Klemmenbolzen 64 und J7 der Schutzeinrichtung befestigt sind. Die hier an den Kondensatorklemmen angeschlossenen Leiter 81 können auch an den entgegengesetzten Enden der Konsolen 78 befestigt werden.

Die zuletzt beschriebene Schutzeinrichtung arbeitet in der gleichen Weise wie die in den Fig. 3 und 4 dargestellte. Ferner sind die Abstände der Elektroden und der Druck in der Kammer 67 genau so bemessen wie beim ersten Beispiel.

Die die Funkenstrecke umgebende Kammer ist vorzugsweise mit Luft gefüllt. Sie kann aber auch Stickstoff oder Argon enthalten. Statt einer können auch beide Elektroden bewegt werden.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   r. Kondensator mit einer parallel geschalteten Funkenstrecke, insbesondere Reihenkondensator, zur Kompensierung von unduktivem Spannungsabfall, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Funkenstrecke durch eine stromabhängige Einrichtung miteinander in Berührung gebracht werden, wenn Strom über die Funkenstrecke fließt.
2. 2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabhängige Einrichtung mit der Funkenstrecke in Reihe geschaltet ist.
3. 3. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabhängige Einrichtung als Solenoid ausgebildet ist.
4. 4. Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in Abhängigkeit von dem die Funkenstrecke überbrückenden Lichtbogen bewegt werden.
5. 5. Kondensator nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf Wärme ansprechende Einrichtung durch die Hitze betätigt wird, die beim Fließen des Stromes zwischen den beiden Elektroden entsteht.
6. 6. Kondensator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabhängige Einrichtung als Bimetallscheibe ausgebildet ist.
7. 7. Kondensator nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden z. B. durch Federwirkung in ihre Anfangslage gebracht werden, wenn der Strom auf einen Wert sinkt, der einer für den Kondensator unschädlichen Spannung entspricht.
8. 8. Kondensator nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode fest steht, während die zweite beweglich ist.
9. 9. Kondensator nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke in einer luftdichten Kammer angeordnet ist, in der ein Druck unter 10 cm Quecksilbersäule herrscht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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