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BhSCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektrotechnik und bezieht
sich auf Funkenstrecken, die zum Oberspannungsschutz von elektrischen Netzen bestimmt
sind, insbesondere auf Ventilableiter.
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Der vorgeschlagene Ventilableiter wird zum Überspannungsschutz von
elektrischen Ausrüstungen und Netzen bei Gleich-- und Wechselstrom eingesetzt.
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Die Ventilableiter müssen-eine ausreichende DurchlaB- und Löschfähigkeit
aufweisen, d.h. sie müssen die -schnelle Ableitung der in das zu schützende Netz
beispielsweise bei einem ßlitzeinschlag eingespeisten überschüssigen Ladung in die
Erde gewährleisten und somit den Pegel und die Dauer des Uberspannungsimpulses (Restspannung)
in diesem Netz begrenzen. Nach dem Abbau der Überspannung muß der Ableiter die schnelle
Löschung des durch ihn' fließenden Nachstromes sicherstellen und die elektrische
Festigkeit seiner Funkenstrecken wiederherstellen.
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Es sind Ventilableiter bekannt (siehe Fachbuch "Hochspannungs-Ventilableiter",
Schischman D.V. u.a., Verlag "Energle", Leningrad, 1971, S. 14-28, 146-177), die
in Reihe geschaltete äus Elektrodenpaaren gebildete Funkenstrecken und nichtlineare
Widerstände enthalten. Bei einer großen Anzahl der baulichen usführungsvarianten
besitzen die Funkenstrecken der Ventilableiter auch verschiedene Mittel zur Löschung
des Lichtbogens des nach ihrem Ansprechen entstehenden Nachstroms, u.zw. mit einem
unbeweglichen Lichtbogen, mit rotierendem Lichtbogen, mit Trennung des Lichtbogens
in Teillichtbögen, mit selbstausblasendem und mit sich dehnendem Lichtbogen.
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Bei der Entwicklung von Ventilableitern ist die durch immer höhere
Anforderungen an die Schutzqualität der Elektroanlagen bedingte Aufgabe aktuell,
den Pegel und die Dauer des Überspannungsimpulses in zu schützenden Netzen herabzusetzen,
was die Erhöhung der DurchlaISfähigkeit der Ableiter, d.h.
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der Grobe des durch den ableiter während des UberspAnnungsi pulses
fließenden Stroms, sowie die Erhöhung ihrer Löschfähigkeit erfordert.
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Der wirksamste Weg der Steigerung des Löschvermögens der Funkenstrecken
besteht in der Ausnutzung der Lictitbbgenverlängerung in ihnen unter dem Einfluß
der elektromagnetischen Kraft der Wechselwirkung des Lichtbogenstroms mit einem
über lagerten Magnetfeld (magnetische Beblasung).
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Bekannt ist ebenfalls ein Ventilableiter mit strombegrenzenden Funkenstrecken
mit sich dehnendem Lichtbogen (siehe USA-PatentschriSt Nr. 3611045, K1. 317-74,
1992). Dieser enthält mindestens einen nichtlinearen Widerstand und in Serie mit
diesem geschaltete Funkenstrecken, die von Hörnerelektrodenpaaren gebildet sind,
welche in Lichtbogen-,Löschspaltkarniaern mit Wänden aus einem Isolierstoff untergebracht
sind.
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In diesem Ableiter wird der Lichtbogen nach dem Durchzünden aus der
Funkenstrecke herausgeblasen und bewegt sich dehnend über die Hörnerelektroden unter
dem Einfluß der elektromagnetischen Wechselwirkung des Lichtbogenstroms und des
Magnetfeldes. Das Magnetfeld wird durch vorgeschaltete Spulen der magnetischen Beblasung
erzeugt. Jede Funkenstrecke des Ableiters ist in einer getrennten flachen Löschspaltkammer
un-, tergebracht, die aus einem Isolierstoff gefertigt ist. In Reihe mit den Funkenstrecken
wird ein zusätzlicher nichtlinearer
Widerstand geschaltet, der zur
Begrenzung des Ableitstroms hauptsächlich im Zeitpunkt der Durchzündung der Funkenstrecken
des Ableiters bestimmt ist, wenn der Summenwiderstand der Lichtbögen noch gering
ist. Zur Erhöhung des Durchlaßvermögens des Ableiters weist dieser Widerstand eine
nichtlineare U-I--Kennlinie auf.
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In diesem Ventilableiter ist das Löschvermögen durch die Dehnungslange
der Lichtbögen in flachen Löschkammern begrenzte Außerdem sind in den stromkreis
des Ableiters Spulen der magnetischen Beblasung eingefügt, was seine behaltung und
bauliche Ausführung kompliziert.
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Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventilableiter mit
einer solchen Ausführung der Löschkammern der Funkenstrecken zu schaffen, die eine
Vergrößerung des Verlängerungsgrades der Lichtbögen bei der Löschung und somit eine
Erhöhung des Löschvermögens des Ableiters ermöglicht Die gestellte Aufgabe wird
dadurch gelöst, daIs im Ventilableiters der mindestens einen nichtlinearen -Widerstand
und mit diesem in Reihe geschaltete Funkenstrecken enthält, die durch Hörnerelektrodenpaare
gebildet sind, welche in bichtbogen-Löschspaltkammern mit Wänden aus einem Isolierstoff
angeordnet sind, erfindungsgemäß die Wände der LichtbogenlöschkPrnmern der Funkenstrecken
durch einen einheitlichen7auf einem Zentralzylinder aufgewickelten Schraubenflügel
zur Formierung eines einheitlichen, schraubenförmig gebogenen Lichtbogens ausgebildet
sind, der durch die Vereinigung von beim Ansprechen des Ableiters in den Funkenstreeken
sich bildenden Lichtbögen bei ihrer Bewegung gebildet ist, wobei die Hörnerelektroden
der Funkenstrecken zwischen den Windungen des Xchraubenflügels
wendelförmig
angeordnet und an der Oberfläche des Zentralzylinders befestigt sind.
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Zur erhöhung der Durchlaßfähigkeit des Ableiters ist es zweckmäßig,
den nichtlinearen Widerstand zwischen benachbarten Funkenstrecken zu schalten, so
daß er im Zeitpunkt der Bildung eines einheitlichen Lichtbogens überbrückt wird.
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Auf diese Weise weist der vorgeschlagene ,Ventilableiter eine höhere
Löschfähigkeit bei gleichzeitiger Vereinfachung seiner baulichen Ausführung und
Verminderung des Raumbedarfes infolge einer gedrungeneren räumlichen Anordnung der
Lichtbögen und Verminderung der Beanspruchung des nichtlineåren Widerstandes auf.
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Im folgenden wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen an hand
der beigelegten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. I schematische Gesamtansicht
des Ventilableiters (schaubildliche Ansicht, teilweise ausgeschnitten) nach der
Erfindung; Fig. 2 Schnitt II-II aus Fig. I, Fig. 3 Schnitt III-III aus Fig.10 Der
vorgeschlagene Ventilableiter enthält Lichtbogenlöschkammern I der Funkenstrecken
(Fig.I) mit Wänden, die durch einen durchgehenden Schraubenflügel 2 gebildet sind,
welcher auL' einem Zentralzylinder 3 aufgewickelt ist. Auf diese Weise vereinigen
sich die Lichtbögenlöschkanmiern I in einen gemeinsamen Schraubenhohlraum, wodurch
für alle Funkenstrecken ein einheitlicher Lichtbogenlöschspalt gebildet wird. Der
Zentralzylinder 3 ist hohl ausgeführt. Der Flügel -2 ist an
seiner
Oberflache mit einem Schritt " # " von 0,5 bis 2 cm aufgewickelt. Der Zentralzylinder
3 und cier Flügel 2 sind aus einem Isolierstoff, z.Bh aus Kunststoffen wie Polysulfonpolykarbonat,
Polyäthylenterephthalat-Gießharz (Lavsan) geg,os -sen oder gepreßt. Der Bügel 2
kann aus einzelnen ßlementen ausgeführt werden.
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Die Breite tt a " des Lichtbogenlöschspaltes wird von 1 bis 8 mm
je nach dem Rechnungswert des Folgestroms des Ableiters gewählt.
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Die Stärke des Schraubenflügels 2 ist gleich der Differenz #-# ,
hangt von seiner Fertigungstechnik und von der rechnungsmäßigen Lebensdauer des
Ventilableiters ab und kann ca. 2-10 mm betragen.
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Der Außendurchmesser D, Innendurchmesser d des schraubenförmigen
Hohlraums des Lichtbogenlöschspaltes sowie die Lange L des Ventilableiters werden
aus folgenden Beziehungen ermittelt:
worin B - die Feldstärke im schraubenförmigen Lichtbogen bezogen auf den Außenrand
des Lichtbogens (auf die Lange der vorderen Flanke des sich in der Radialrichtung
dehnenden Lichtbogens); v(t) - radiale Geschwindigkeit des Lichtbogens; I(t) - Folgestrom
als Funktion der Zeit (t); u5 - knplitudenwert der Nennspannung des zu schützenden
Netzes und. g -die Löschzeit des Folgestroms bedeuten.
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Der Wert "d" gibt den induktiven Widerstand des Ventil -ableiters
im
Zeitpunkt der Durchzündung an und bestimmt zusammen mit dem nichtlinearen Widerstand
die Größe des Folgestroms in diesem Zeitpunkt. Die Ventilableiter kann auch mit
d.O gefertigt werden, dabei können die Anschlußleiter der Funkenstrecken, beispielsweise
für den Anschluß von Nebenwiderständen, im Körper des Schraubenflügels 2 ausgeführt
werden.
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innerhalb des Lichtbogenlöschspaltes sind an der Oberfläche des Zentralzylinders
3 Funkenstrecken bildende Hörnerelektrodenpaare 4 wendelförmig angeordnet, die mittels
Stroms leiter 5 in Reihe geschaltet sind. Als Beispiel ist in der fünften Windung
des Löschspaltes eine Funkenstrecke mit ihren Hörnerelektroden 4 und in der dritten
Windung der Stromleiter 5 mit Hörnerelektroden 4 der benachbarten Funkenstrecken
gezeigt.
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Die Hörnerelektroden 4 sind zur Bestimmung der Bewegungsrichtung
der Fußpunkte der Lichtbögen 6 des Folgestroms bestimmt, die in den Funkenstrecken
entstehen und sich im Schraubenhohlraum des Lichtbogenlöschspaltes in Radialrichtung
unter dem Einfluß der Kraft der elektromagnetischen Wechselwirkung des Stromes der
Lichtbögen 6 und des Magnetfeldes des Ableiters bewegen.
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Nach dem Austritt der Teillichtbögen 6 der Funkenstrecken an die
Enden der Hörnerelektroden 4 erfolgt die Vereinigung dieser Lichtbögen 6 zu einem
durchgehenden schraubenförmigen Lichtbogen 9. Die Lichtbögen 6,7 sind in Fig. 1
aus Übersichtlichkeitsgründen nur in der fünften Windung des Lichtbogenlöschspaltes
gezeigt. Die Länge der Hörnerelektroden 4 und die Höhe. ihrer Anhebung, d.h. der
Abstand ihrer Enden von der Oberfläche
des Zylinders 3, bestimmen
die -Zeit, während welcher die Bögen 6 der einzelnen Funkenstrecken mit ihren Fußpunkten
Kontakt mit den Hörnerelektroden 4 und den Stromleitern 5 habeii, bevor sie in einen
durchgehenden Lichtbogen übergehen.
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Zwecks Verlagerung der Fußpunkte des einheitlichen schraubenförmigen
Lichtbogens 7 während seiner dehnung und Radialbewegung sind am Anfang und inde
des schraubenförmigen Hohlraums des Löschspaltes Eingangs- und Ausgangs-Hörnerelektroden
8,9 angeordnet. An die Elektrode 8 ist die Durchführung 10 des Ableiters und an
die Elektrode 9 unmittelbar oder über einen nichtlinearen Widerstand 11 der Anschluß
12, des Ableiters angeschlossen. Die Eingangs-Hörnerelektrode 8 des Ableiters ist
elektrisch mi-t dem Stromleiter 5 der ersten Funkenstrecke und die Ausgangshörnerelektrode
9 elektrisch mit dem Stromleiter 5 der letzten Funkenstrecke verbunden.
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In Fig. 2 ist zwecks Erläuterung der Funktionsweise des Ableiters
die Lage der Lichtbögen 6 in zwei nacheinanderfolgenden Zeitpunkten "a" und "b"
dargestellt. Die Lage des Lichtbogens 6a entspricht dem Zündungszeitpunkt des Lichtbogens
6 den Anfangsabschnitten der Hörnerelektroden 4. sie Lae des Lichtbogens 6b entspricht
dem Zeitpunkt der Näherung des Lichtbcgens 6 an/dienden der Hörnerelektroden 4,
wenn das eine Lichtbogenende auf die Ånfangshörnerelektrode 8 des Ableiters überspringt
(in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet) und das andere Lichtbogenende sich mit dem
gleichartigen Lichtbogen 6 der zweiten Funkenstrecke vereinigt (in Big. 2 ist diese
Fusion gestrichelt eingezeichnet), was zur Bildung eines einheitlichen schraubenförmigen
Lichtbogens 9 führt. Die Lage des Lichtbogens 7c entspricht einem Zeitpunkt der
Dehnung dieses
schraubenförmigen Lichtbogens 7c, wobei einer der
Fußpunkte dieses Lichtbogens 7c sich auf die Eingangs-ilörnerelektrode 8 des Ableiters
hin bewegt.
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Innerhalb des hohlen Zentralzylinders 3 sind Widerstände der Potentialverteilung
untergebracht, die parallel zu den zugehörigen Funkenstrecken angeschlossen sind.
Durch die Bohrungen 13 in der Wand des Zentralzylinders 3 ist an die Stromleiter
5 ein Nebenschlußwiderstand 14 parallel zu der ersten Funkenstrecke angeschlossen.
Gleicherweise sind Nebenschlußwiderstände (in Fig. nicht dargestellt) an die übrigen
Funkenstrecken angeschlossen.
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in Fig. 3 ist der Längsschnitt durch den Ventilableiter dargestellt,
aus dem die elektrische Verbindung von benachbarten Funkenstrecken über einen nichtlinearen
Widerstand 15 ersichtlich ist, der bei der Bildung des einheitlicnen schraubenförmigen
Lichtbogens 9 überbrückt wird. Zu diesem Zweck sind an die Abschnitte 16 und 17
einea der Stromleiter 5, der eine Unterbrechung aufweist, durch die Bohrungen 18
in der Wand des Zentralzylinders 3 elektrische Anschlüsse 19,20 angeschlossen, die
innerhalb des Zentralzylinders 3 angeordnet sind und zum Anschließen des nichtlinearen
Widerstandes 15 dienen.
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Bei der Lage 6b der Lichtbögen 6 der Funkenstrecken im Zeitpunkt,
wo ihre Fusion zu einem einheitlichen schraubenförmigen Lichtbogen 7 erfolgt, ändert
sich die Folgestrombahn durch die Ableiterelemente (in Fig. 3 ist die Stromrichtung
mit Pfeilen angegeben). Vor dem Zeitpunkt der Fusion der Lichtbögen 6 fließt der
Strom durch den an die Anschlüsse 19,20 angeschlossenen nichtlinearen Widerstand
15. Nach der Fusion
der Lichtbögen 6 zu einem einheitlichen Lichtbogen
9 hört der Stromdurchfluß durch den Widerstand 15 auf.
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Zur Verhinderung eines Durchschlags zwischen den Hörnerelektroden
4 der benachbarten Funkenstrecken oder den Absonnitten 16, 17 des Stromleiters 5,
die elektrisch über den nicht liniearen Widerstand 15 verbunden, sind, welcher vor
dem Zeitpunkt der Fusion der Lichtbögen 6 an die Anscnlüsse 19,20 angeschlossen
ist, ist es zweckmäßig, zwischen den Enden dieser Abschnitte 16, 17 und den anstoßenden
Hörnerelektroden 4 eine radial gerichtete Trennwand (in Fig. nicht dargestellt)
des schraubenförmigen Hohlraums des Lichtbogenlöschspaltes anzuordnen, die aus einem
Isolierstoff gefertigt ist und eine liöhe in der Radialrichtung aufweist, welche
die Höhe dieser Hörnerfunkenstrecken 4 übersteigt.
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Wenn der nichtlineare Widerstand 15 innerhalb des Zentralzylinders
3 angeordnet ist, ist es zweckmäßig, seine Anschlüsse 19,20 schraubenförmig mit
einem Wickelsinn auszuführen, der dem Wickelsinn des Schraubenfügels 2 entgegengesetzt
ist. Das ermöglicht eine Verstärkung des içlagnetSeldes des Ableiters. Zur Erhöhung
der Durchschlagsfestigkeit des Ableiters kann der innere Hohlraum des Zentralzylinders
3 mit einer Isoliermasse, vergossen werden.
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Es ist ratsam, den Schraubenflügel 2 des Löschspaltes in der Radialrichtung
zickzackförmig auszubilden, um die Funkenstrecken gegen die Strahlung des abgewanderten
Lichtboens des Folgestroms abzuschirmen. Das trägt zur beschleunigten der Durchschlagfestigkeit
Wiederherstellung / der Funkenstrecken bei, d.h. zur Erhöhung ihrer Durchschlagsspannung
bis zum Nennwert.
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Der Ventilableiter funktioniert folgenderweise.
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Nach dem Durchzünden der Funkenstrecken beim Eintreffen einer Überspannung
fließt durch den Ableiter der Folgestrom in einer schraubenförmigen Strombahn durch,
was zur Bildung eines in bezug auf die Achse des Ventilableiters längs gerichteten
Magnetfeldes führt. Die schraubenförmige Anordnung der fförnerelektroden 4 (Fig.l)
der Funkenstrecken mit ihren Stromleitern 5 ermöglicht-es, ihre hauptsächlichen
Funktionen mit den Funktionen der Spulen der magnetischen Beblasung zu vereinigen.
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Die in den Funkenstrecken nach ihrem Ansprechen entstandenen Lichtbögen
6 (Fig. 1,2,3) bewegen sich infolge der Wechselwirkung des Stroms jedes Deillichtbogens
6 mit dem Langsmagnetfeld des Ableiters in radialer (nach außen hin) und azimutaler
Richtung (die Enden der Lichtbögen gehen in entgegeniesetzten E den HörnereleRtroden
4 auseinander) und werden langer. Hrreichen die Lichtbögen 6 die Enden der Hörnerelektroden
4, erfolgt ihre Vereinigung zum einneitlichen schraubenförmigen Lichtbogen 9. Die
Zeitspanne vom Ansprechen des Ableiters bis zur Fusion der Lichtbögen 6 ist von
der Länge und Höhe der Hörnerelektroden 4 abhängig, was die Länge der Lichtbögen
6 und ihren Widerstand zum Zeitpunkt ihrer Fusion zum einheitlichen Lichtbogen 9
bestimmt.
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lurch die Fusion der Lichtbögen 6 werden diejenigen nichtlinearen
Widerstände 15 überbrückt, die zwischen den benachbarten Funkenstrecken geschaltet
sind, was zu einer sprungartigen Verminderung des Ableitwiderstandes im Zeitpunkt
der Fusion der Lichtbögen 6 und somit zu einer Erhöhung des Folgestroms
führt,
der vom Ableiter aus dem zu schützenden Netz entnommen wird.- Auf diese Weise wird
die Durchlaßfähigkeit des Ventilableiters erhöht und dadurch die Zeitspanne bis
zum Abbau der Überspannungen im Net vermindert. Dabei vermindert sich die in den
nichtlinearen Nebenschlußwiderständen verniciltete Energie, was eine Verminderung
von deren Abmessungen ermöglichst.
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Indem man einzelne Hörnerelektrodenpaare 4 der Funkenstrecken mit
verschiedener Länge und Höhe ausführt, kann man die Zeit der Überbrückung jedes
der nichtlinearen Widerstände 15 festlegen, damit die entsprechenden Stufen an der
U-I-Kennlinie des Ableiters annähernd horizontal liegen. dadurch werden die Anforderungen'an
die Nichtlinearität der nicntlinearen Widerstände selbst gesenkt.
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Nach der Bildung des einheitlichen wendelSörmiüen Lichtbogens 9 werden
die Stromleiter 5 und die Hörnerelektroden 4 sämtlicher Funkenstrecken aus der Strombahn
angeschlossen, wodurch ihre Erwärmung und somit auch ihr Verschleiß vermindert werden.
Der gebildete wendelförmige Lichtbogen 9 (Plasmasolenoid) setzt unter der Wirkung
des eigenen lvlagnetSeldes seine Ausdehnung in der Radialrichtung fort. Dadurch
erreicht der wendelförmige Lichtbogen 9 eine Lange, bei welcher die Spannung am
Ableiter sich bis zum Spannglgspegel des zu schützenden Netzes erhöht, sinkt der
Nachstrom auf Null ab und der Lichtbogen 9 erlischt. Falls die in das Netz eingespeiste
überschüssige Ladung nicht abgeleitet und die Oberspannung noch nicht abgebaut ist,
wird der wendelförmige Lichtbogen 7 seine Ausdehnung fortsetzen, und die Spannung
über dem Ableiter wird sich bis zum wiederholten Durchzünden der Funkenstrecken
des
Ableiters erhöhen. Dabei entstehen in den Funkenstrecken wieder
die Lichtbögen 6, die den lichtbogen 9 kurzschließen, was z.ur böschung desselben
führt. Der Funktionsablauf des Ableiters wiederholt sich.
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Da im vorgeschlagenen Ventilableiter keine Strompause zur, Löschung
des Folgestroms nötig ist, kann er sowohl in Wechsel- als auch in Gleichstromkreisen
eingesetzt werden. Der einsatz des vorgeschlagenen Ventilableiters ermöglicht es,
die Zuverlässigkeit des Schutzes der Elektroausrüstung dank der Verminderung der
Dauer und der Höhe von Überspannungsimpulsen zu erhöhen.
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Die Wendelform des sich in der Radialrichtung dehnenden Lichtbogens
7, die eine kleine Steigung aufweist, gewähr-et iio Vergleich mit der flachen Form
des Lichtbogens in bekannten Lichtbogenlöschkammern eine wirksamere Verlängerung
des Lichtbogens, wodurch die Lichtbogenlöschfähigkeit des vorgeschlagenen Ventilableiters
wesentlich erhöht wird. Die Erübrigung der Spulen der magnetischen Bebl-asung mit
ihren BypaS-Scrlutzfunkenstrecken ermöglicht eine Vereinfachung der Ableiterschaltung.
Dabei vermindert sich die Erwärmung der btroDleiter und der Erosionsverscnleiß der
Hörnerelektroden der Funkenstrecken infolge der Verminderung der dauer ihres Kontaktes
mit Fußpunkten der zu löschenden Lichtbögen.
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Die Uberbrückung des nichtlinearen Wiederstandes 15 ermöglicht eine
Erhöhung der Durchlaßfähigkeit des Ventilableiters (Erhöhung der Nichtlinearität
seiner U-I-Kennlinie) und eine Verminderung der in diesem Widerstand zuvernichtenden
Energiemenge infolge der Verminderung seiner Arbeitsdauer.