DE2346175A1

DE2346175A1 - Ueberspannungsableiter

Info

Publication number: DE2346175A1
Application number: DE19732346175
Authority: DE
Inventors: Gerhard Lange; Gerhard Dipl Ing Dr Peche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-13
Filing date: 1973-09-13
Publication date: 1975-03-27
Also published as: DE2346175B2

Description

Überspannungsableiter

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einem gasdichten Gehäuse, in dem Elektroden einander gegenüberstehen, die in die Stirnseiten eines rohrförmigen Isolierkörpers eingesetzt sind, auf dessen Innenseite sich mindestens ein Streifen aus elektrisch leitfähigem Material (Zündstreifen) über einen Teil der Rohrlänge anfangend von der einen in Richtung zu der anderen Elektrode erstreckt.

Ein derartiger Überspannungsableiter geht aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 032 899, insbesondere Figur 3, als bekannt hervor. Bevorzugt ist dabei die Ausführungsform, bei der der Zündstreifen mit einer Elektrode verlötet ist. Über die.Lotverbindung wird das Elektrodenpotential den Streifen aus elektrisch leitfähigem Material, der auch als Zündstreifen bzw. Zündstrich bezeichnet wird, übertragen. Bei diesen bekannten Überspannungsableiter, ist die Kontaktierung der Zündstreifen mit den Elektroden problemlos, da die Elektroden auf den Keramikisolator hart aufgelötet werden. Der Zündstreifen hat dabei den notwendigen Kontakt von vornherein mit der Metallisierung der Keramik. Da Überspannungsableiter mit einem geringen Gasdruck arbeiten, muß beim Verschließen der Ableiter durch die Hartlotverbindung darauf geachtet werden, daß der Isolationswiderstand nicht durch kondensierte Bestandteile des Lotes in unzulässiger Weise verringert wird. Diesen Nachteil kann man nur durch einen sehr aufwendigen Fabrikati ons Vorgang verhindern, indem ent-

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weder Hartlote mit sehr niecuigem Dampfdruck (z.B. reines Gold) verwendet werden oder die überspannungsableiter zunächst unter Überdruck in Wasserstoffatmosphäre gelötet werden, so daß die leicht flüchtigen Bestandteile der Hartlotverbindungen nicht abdampfen. In einem weiteren Fabrikationsgang kann dann den Ableitern im Hochvakuum bei niedrigerer Temperatur das überschüssige Wasserstoffgas durch Diffusion durch die Elektrodenwand entzogen werden und so der vorgeschriebene Arbeitsdruck im Überspannungsableiter eingestellt werden, ohne daß sich die Isolation des Keramikisolierkörpers verschlechtert.

Zur Beseitigung des Nachteils der Hetallötung zwischen Isolierkörper und Elektroden ist es bereits Gegenstand eines älteren Vorschlages, die Elektroden in an sich bekannter Weise an die Enden des rohrförmigen Isolierkörpers anzuglasen und im Bereich der Anglasungsstelle den Streifen aus elektrisch leitfähigem Material unmittelbar mit der Elektrode in Verbindung zu bringen. Dabei hat sich gezeigt, daß die Zündstreifen auch ohne Metallötung, d.h. nur unter Verwendung von Glas als Einschmelzmaterial mit den Elektroden ausreichend kontaktiert werden können.

Bekanntlich nimmt bei normalen überspannungsableitern mit radioaktiver Vorionisation die Ansprechstoß spannung mit zunehmender Spannungsanstiegsgeschwindigkeit zu. Mit den in der Praxis üblichen und auch zulässigen Aktivitäten läßt sich durch die Vorionisation die Ansprechstoß spannung im Bereich dU/dt = 1 - 10 k V//us in nur ungenügender Weise reduzieren, so daß der Schutzpegel gasgefüllter überspannungsableiter, z.B. für den Schutz von Halbleiterschaltungen, in diesem Bereich unzulässig hoch ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen überspannungsableiter hoher Betriebssicherheit zu schaffen, bei

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dem auch im Bereich hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten die Ansprechstoßspannung in genügender Weise reduziert ist. Die Aufgabe wird bei einem Überspannungsableiter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Anfang des Streifens aus elektrisch leitfähigem Material an einer Stirnseite des Isolierkörpers derart in isoliertem Abstand zu der Elektrode angeordnet ist, daß der Streifen aus elektrisch leitfähigem Material kapazitiv an die Elektrode angekoppelt ist. Der Anfang des Streifens aus elektrisch leitfähigem Material ist dabei an den Stirnseiten des Isolierkörpers zweckmäßig in ein Dielektrikum eingebettet. Als Dielektrikum ist Glas bevorzugt geeignet.

Es hat sich gezeigt, daß die kapazitive Ankopplung des Zündstreifens an die Elektrode des Überspannungsabieiters genügt, um im Bereich hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten die Ansprechstoßspannung zu reduzieren. Der wesentliche Vorteil der kapazitiven Kopplung besteht darin, daß bei einer teilweisen Bedampfung des Isolierkörpers eine hochohmige innere Verbindung der gegenüberliegenden Zündstreifen zugelassen werden kann, weil die Isolation der Zündstreifen zu den Elektroden durch das Dielektrikum aufrecht erhalten wird. Die zwischen dem Zündstreifen und den Elektroden liegende Oberfläche des Dielektrikums liegt im Hinterraum der Entladung und wird durch Zerstäubungsprodukte im allgemeinen nicht verändert.

Anhand der Figuren der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden.

Dabei zeigt:

Figur 1 einen Längsschnitt eines vereinfacht dargestellten

Überspannungsabieiters gemäß der Erfindung, Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt einer Glaseinbettung

bei II der Figur 1,
Figur 3 einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines Überspannungsabieiters gemäß der Erfindung.

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Der In Figur 1 dargestellte Überspannungsableiter besteht aus zwei kegelstumpfförmigen Elektroden 1, 2, die mit ihren einander zugekehrten Vorwölbungen in die Stirnseiten eines rohrförmigen Isolierkörpers 3 gasdicht eingesetzt sind. Überspannungsableiter dieser Art werden wegen der äußeren Form auch Knopfableiter genannt. Auf der Innenseite des rohrförmigen Isolierkörpers 3 erstreckt sich anfangend von der Elektrode 1 und anfangend von der Elektrode 2 jeweils ein Streifen 5 aus elektrisch leitfähigem Material, ein sogenannter Zündstreifen, in Richtung auf die jeweils gegenüberliegende Elektrode 1 bzw. 2. Die Zündstreifen 5 sind in den Figuren 1 und 3 zur besseren Übersicht gestrichelt dargestellt. Der Anfang der Zündstreifen ist an den Stirnseiten des Isolierkörpers 3 derart in isoliertem Abstand angeordnet, daß die Zündstreifen 5 kapazitiv an die Elektroden 1 bzw. 2 angekoppelt sind. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Zündstreifen 5 an den Stirnseiten des Isolierkörpers 5 in eine bevorzugt geeignete Glasschicht eingebettet. Zur besseren Übersicht ist in Figur 2 ein vergrößerter Ausschnitt der Glas einbettung bei II der Figur 1 dargestellt. Der isolierte Abstand des auf den Isolierkörper 3 aufgebrachten Zündstreifens 5 zur Elektrode 2, der durch ein Dielektrikum, in diesem Beispiel durch eine Glasschicht 4 realisiert wird, ist deutlich zu erkennen. Der Zündstreifen 5 besteht vorzugsweise aus einer Graphitsuspension oder aus einer Mischung aus niedrig schmelzendem Glaslot und einer Graphitsuspension. Auch die Verwendung von Graphit als Material für den Zündstreifen hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen. Ein Graphit streif en läßt sich exakt und ohne großen Aufwand durch Abrieb von einer Graphitmine auf den Keramikkörper 3 aufbringen.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Überspannungsableiter sind wiederum zwei kegelstumpfförmige Elektroden 1,2 mit ihren

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einander zugekehrten Aufwölbungen in die Stirnseiten eines. z.B. aus Keramik bestehenden rohrförmigen Isolierkörpers 3 gasdicht eingesetzt. Überspannungsableiter dieser Art werden wegen der äußeren Form auch Knopfableiter genannt. Auf der Innenseite des rohrförmigen Isolierkörpers 3 erstrecken sich von den gegenüberliegenden Stirnseiten des Isolierkörpers 3 ausgehend je ein Zündstreifen 5 über einen Teil der Rohrlänge in Richtung auf die der jeweiligen Stirnseite gegenüberliegende Elektrode 1 bzw. 2. Jeder der beiden Zündstreifen 5 ist dabei in isoliertem Abstand zu der ihm zugeordneten Elektrode 1 bzw. 2 gehalten, und auch in diesem Ausführungsbeispiel zu diesem Zweck in eine als Dielektrikum bevorzugt verwendete Glasschicht 4 eingebettet. Auf der Außenseite sind die Elektroden 1,2 mit massiven zyiinderförmigen Zuleitungen 7 versehen, die am Boden des jeweiligen Kegelstumpfes befestigt sind. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit, d.h. für sogenannte ^wfail-safe^M -Eigenschaften sind die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Elektroden 1,2 jeweils mit einer Metallscheibe 6 versehen, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Oberflächen der. Elektroden 1,2. Der Vorteil der Verwendung solcher Ei_ssenscheiben 6 besteht auch darin, daß der Abstand der Zündstreifen 5 zu diesen Gegenelektroden bildenden Eisenscheiben 6 wesentlich kleiner sein kann als der eigentliche Elektrodenabstand. Auch bei einem Abstand der Zündstreifen zu den die Gegenelektroden bildenden Eisenscheiben 6, der kleiner als der Elektrodenabstand ist, müssen die Zündstreifen 5 in ihrer Länge nicht festgelegt sein. Das heißt, es braucht kein definierter Abstand zwischen den Enden der Zündstreifen 5 und den die Gegenelektroden bildenden Eisenscheiben 6 gefordert werden. Das ist für eine Massenfertigung von erheblichem Vorteil. Wenn bei kapazitiver Koppelung der Zündstreifen 5 diese wirksam werden, dann ergibt sich im Bereich hoher Spannungssteilheiten eine Ansprechstoßspannung,

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die unterhalb der Ansprechglied ^spannung liegen kann. Dieser Effekt wird nur bei hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten erreicht, da nur dann -der Zündstreifen 5 mit kleinerem Elektrodenabstand zur Gegenelektrode zündet, während bei Unwirksamkeit der kapazitiven Kopplung bei niedrigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten des Zündstreifens 5 zur Elektrode die Ansprechspannung durch den vergrößerten Elektrodenabstand gegeben wird. Oberhalb einer Ansprechgleichspannung von 1000 V nimmt dieser Effekt mit zunehmendem Druck und zunehmender Ansprechgleichspannung zu. Unterhalb einer Ansprechgleichspannung von 1000 V läßt sich die Ansprechstoßspannung nicht mehr unter die Ansprechgleichspannung zwingen, Jedoch kann man auch in diesem Bereich durch die vorgeschlagene Elektrodenanordnung eine weitere Reduzierung der Ansprechstoßspannung gegenüber den bisher bekannten Werten mit Zündstreifen erhalten. Bei dieser Ausführungsform eines Überspannungsabieiters arbeiten also in ein und derselben Gasentladungsstrecke zwei galvanische Elektroden in Form der Elektroden 1 und 2 mit den Metallscheiben 6 und zwei kapazitiv angekoppelten Elektroden in Form der beiden Zündstreifen 5 wechselseitig miteinander. Die kapazitiv angekoppelten Zündstreifen 5 werden nur zur Zündung ausgenutzt, anschließend wird der Lichtbogen dann von den galvanischen Elektroden 1,6 und 2,6 übernommen. Die Zündstreifen 5 müssen so hochohmig sein, daß sie sich nicht an der Hauptentladung, auch nicht mit sogenannten Sekundärzündungen, beteiligen können.

Beim Herstellen der erfindungsgemäßen Überspannungsableiter wird zweckmäßig während der Anglasung der Elektroden 1,2 an den mit mindestens einem Zündstreifen 5 versehenen rohrförmigen Isolierkörper 3 die Einschmelztemperatur so gewählt und die Elektroden 1,2 gegen die Stirnseiten des Isolierkörpers 3 so gestaucht, daß die Glasschicht 4 die für die kapazitive Ankopplung des Zündstreifens 5 an die Elektrode 1 bzw. 2 vorgegebene Dicke aufweist.

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Für die Zündung einer Gasentladungsstrecke genügt ein Strom von 10 mA, der bereits durch einen Kondensator von 10 pF fließen kann, wenn die Spannungsänderungsgeschwindigkeit 1 kV//us beträgt. Bei den in der Praxis üblichen Abmessungen des überspannungsableiter beträgt die Wandstärke des Isolierkörpers 3 z.B. 0,7 mm. Hat das Dielektrikum, z.B. die Glasschicht 4, eine Dielektrizitätskonstante von ε = 5, so ergibt sich bei vollkommen leitender Stirnfläche des Isolierkörpers 3 die notwendige Kapazität von 10 pF, wenn das Dielektrikum, z.B. die Glasschicht 4, höchstens eine Stärke von 6/um hat. Bei den Einschmelzprozessen der Knopfableiter mit Keramikisolierkörper 3 und einer Glasschicht 4 als Verbindungselement zwischen dem Isolierkörper 3 und der Elektrode 1 bzw. 2 kann man sehr leicht durch Wahl der richtigen Einschmelztemperatur und Kraft beim Zusammendrücken der Elektroden 1,2 den vorgegebenen Abstand zwischen Keramikisolierkörper 3 und Elektrode 1 bzw. 2 einstellen. Der notwendige vakuumdichte Verschluß kommt auf der Außenseite des Isolierkörpers 3 mit der Glasschicht 4 zustande.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise ist es nicht notwendig, die gesamte Stirnfläche des Isolierkörpers 3 leitend mit dem Zündstrich 5 zu verbinden, da auch kleinere Zündströme als 10 mA den Überspannungsableiter sicher zünden. Man kann mit zunehmender Kapazität, in-dem z.B. die Glasschicht 4 zwischen Isolierkörper 3 und Elektrode 1 bzw. 2 entsprechend durch höheren Einschmelzdruck verringert wird, auch im Bereich niedriger Ansprechstoßspannungssteilheiten mit verringerten Ansprechspannungen rechnen. Da im allgemeinen die Zündstrichwiderstände größer als 100 kß sind, ist die dielektrische Beanspruchung des Kondensators im Zündaugenblick minimal. Nach der Zündung bricht die Spannung am Überspannungsableiter im allgemeinen ohnehin auf die Bogenbrennspannung zusammen,

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Patentansprüche

Überspannungsableiter mit einem gasdichten Gehäuse, in dem Elektroden einander gegenüberstehen, die in die Stirnseiten eines rohrförmigen Isolierkörpers eingesetzt sind, auf dessen Innenseite sich mindestens ein Streifen aus elektrisch leitfähigem Material (Zündstreifen) über einem Teil der Rohrlänge anfangend von der einen in Richtung zu der anderen Elektrode erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfang des Streifens (5) aus elektrisch leitfähigem Material an einer Stirnseite des Isolierkörpers (3) derart in isoliertem Abstand zu der Elektrode (1,2) angeordnet ist, daß der Streifen aus elektrisch leitfähigem Material kapazitiv an die Elektrode angekoppelt ist.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfang des Streifens (5) aus elektrisch leitfähigem Material an der Stirnseite des Isolierkörpers (3) in eine Glasschicht (4) eingebettet ist.

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Elektroden (1,2) mit Metallscheiben (6) versehen sind, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Oberfläche der Elektroden (1,2), und daß der Abstand des Streifens (5) aus elektrisch leitfähigem Material zu den Metallscheiben (6) kleiner ist als der Abstand der beiden Metallscheiben (6) vone inande r.

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Claims

so daß sie an den Kondensatoren nahezu vollkommen verschwindet. Neben der vorteilhaften Erhaltung der Elektroden-

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isolation von beispielsweise 10 Ω auch bei innerer Bedampfung des Isolierkörpers 3 durch die kapazitive Ankopplung der Zündstreifen 5, die im Hinterraum gegen die Elektroden 1,2 mit der Einschmelzglasschicht 4 isoliert sind, wird im Bereich der Ansprechgleichspannung und der langsamen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten die Zündspannung ausschließlich von der Geometrie und den Eigenschaften der Elektroden 1,2 selbst bestimmt.

7 Patentansprüche
3 Figuren

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4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (5) aus elektrisch leitfähigem Material aus einer Graphitsuspension besteht.

5. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (5) aus elektrisch leitfähigem Material aus einer Mischung aus niedrig schmelzendem Glaslot und einer Graphitsuspension besteht.

6. überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (5) aus elektrisch leitfähigem Material aus Graphit besteht.

7. Verfahren zum Herstellen eines Überspannungsabieiters nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während der Anglasung der Elektroden (1,2) an den mit mindestens einem Streifen (5) aus elektrisch leitfähigem Material versehenen, rohrförmigen Isolierkörper (3) die Einschmelztemperatur so gewählt wird und die Elektroden (1,2) gegen die Stirnseiten des Isolierkörpers (3) so gestaucht werden, daß die Glasschicht (4) die für die kapazitive Ankopplung des Streifens (5) an die Elektrode (1,2) vorgegebene Dicke aufweist.

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