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Jakobsleiter

Funktion

Mein wohl erster Hochspannungsversuch war die sogenannte Jakobsleiter. Eine Jakobsleiter besteht aus zwei v-förmig angeordneten blanken Leitern, die unten einen geringen Abstand haben, der gegen oben immer grösser wird. Wird an diese Anordnung Hochspannung angelegt, so zündet unten beim kleinsten Leiterabstand ein Lichtbogen. Durch die Hitze und die dadurch aufsteigende Luft wandert der Lichtbogen nach oben, bis der Abstand zwischen den beiden Leitern zu gross wird und der Funke abbricht. Das Ganze fängt nun wieder von vorne an.

Bedingungen

Je grösser die verfügbare Leistung ist, desto besser funktioniert der Versuch. Die Spannung der Hochspannungsquelle bestimmt den maximalen Abstand unten an der Jakobsleiter, bei dem ein Funke gerade noch zündet. Wie breit der Lichtbogen auseinandergezogen werden kann bevor er abbricht, hängt hingegen vom Strom der Quelle ab. Ist der verfügbare Strom sehr hoch, so kann der Lichtbogen sehr breit werden. Es empfiehlt sich für diesen Versuch eine Hochspannungsquelle zu verwenden, die mindestens 8kV bei 20mA liefert. Da ein Lichtbogen beinahe einen Kurzschluss für die HV-Quelle darstellt, muss die Quelle über eine Strombegrenzung verfügen.

Der Auftrieb eines Lichtbogens

Auf dem nebenstehenden Foto kann man bei der Bildung eines normalen Lichtbogens bereits erkennen, dass durch Konvektion der Lichtbogen versucht, aufzusteigen. Da aber die beiden spitzen Elektroden immer an derselben Stelle bleiben, ergibt sich ein "Kompromiss" in Form eines umgekehrten "V". In der Mitte erfolgt durch die warme, aufsteigende Luft ein Auftrieb während der Lichtbogen an den Aussenseiten die feststehenden Elektroden berühren muss, um den Stromfluss aufrecht zu erhalten. Die Hochspannung wird durch zwei umgekehrt betriebene Messwandler erbracht. Die Leerlaufspannung der Wandler beträgt etwas mehr als 10kV, der Kurzschlussstrom etwa 400mA.

Bilder

Auf den folgenden Fotos ist eine Jakobsleiter "in Aktion" zu sehen. Die Leistung beträgt rund 2.5kVA. Als HV-Quelle diente hier der grosse Röntgentrafo.

Zum Vergrössern jeweils auf das entsprechende Bild klicken.

In den meisten Abbildungen ist deutlich zu erkennen, wie die heisse Luft die Leiter umgibt und den Lichtbogen verzerrt. Im letzten Bild ist gerade noch zu erkennen, wie der Lichtbogen abbricht und aber für sehr kurze Zeit aufgrund der heissen Luft noch einige Plasmawölkchen  übrig geblieben sind.

Anwendung in der Hochspannungs-Technik

Jakobsleitern wurden früher (und z.T. auch heute noch) in der Hochspannungstechnik zum Löschen von Lichtbögen verwendet. Man sieht dies zum Beispiel noch bei der Bahn (Schweiz), wo kleinere Masttransformatoren über einen dünnen Sicherungsdraht an der Fahrleitung angeschlossen sind. Brennt der Sicherungsdraht im Falle eines Kurzschlusses durch, so bildet sich ein Lichtbogen an der Jakobsleiter. Dieser wandert wie im Versuch nach oben und löscht sich damit selber. Der Stromkreis wird unterbrochen. Die nachfolgenden zwei Bilder zeigen zwei solche SBB-Masttransformatoren, die die 15kV Spannung der Fahrleitung herunter transformieren für die Speisung von Weichen und Weichen-Heizungen, Lampen, Signale, Steuerungen etc. Der Spannungsabgriff erfolgt an der Fahrleitung und wird über Isolatoren und die besagten Jakobsleitern zu den Isolatoren der beiden Transformatoren geführt. Bei genauem Hinschauen erkennt man gut die dünnen Sicherungsdrähte, die über die Jakobsleitern geführt sind.

Zum Vergrössern der Bilder bitte jeweils auf das entsprechende Bild klicken!

     Bild 1: SBB-Masttransfomatoren     Bild 2: Jakobsleiter                     

Selbstverständlich erlaubt der heutige Stand der Technik eine Vielzahl von hochwertigeren und schnelleren Schutzfunktionen für den Kurzschlussfall, aber die Jakobsleiter ist doch faszinierend einfach und genial. Da braucht's nicht einmal Elektronik :-)

Die Bildung eines Lichtbogens ist in vielen Fällen in der Technik sehr unerwünscht! Bei Hochspannungsschaltern wird der Lichtbogen entweder mit Pressluft gleich ausgeblasen, oder der Schaltvorgang erfolgt unter Abschluss in einer mit Gas gefüllten Kammer. Auch in Schmelzsicherungen kann nach dem Schmelzen des Sicherungsdrahtes ein Lichtbogen entstehen. Auf der Sicherung ist deshalb häufig der maximale Unterbrechungsstrom angegeben, den eine Sicherung im Fehlerfall noch sicher unterbrechen kann (also ohne Bildung eines Lichtbogens). Selbst bei handlesüblichen Glühbirnen kann es vorkommen, dass in dem Moment, in dem die Glühbirne durchbrennt, zwischen den Enden des durchgebrannten Glühwendels ein Lichtbogen entsteht, welcher einen solch hohen Stromfluss verursacht, dass die Haussicherung ebenfalls auslöst.

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