DE2354697A1

DE2354697A1 - Gasgefuelltes entladungsventil zur verwendung als ueberspannungsschutzeinrichtung und verfahren zur herstellung eines solchen entladungsventils

Info

Publication number: DE2354697A1
Application number: DE19732354697
Authority: DE
Inventors: Carl Arne Di Schleimann-Jensen
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1972-11-08
Filing date: 1973-10-30
Publication date: 1974-05-16
Also published as: CH563070A5; SE360507B; DE2354697C2; GB1439775A

Description

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Ielefonaktiiebolaget LM Ericsson, Stockholm / Schweden

Gasgefülltes Entladungsventil zur Verwendung als Überspannungsschutzeinrichtung und Verfahren zur Herstellung eines solchen Entladungsventils

Eine der am meisten gebräuchlichsten Formen für gasgefüllte Entladungsventile zum Verhindern vorübergegender Überspannungserscheinungen setzt sich aus einem Paar Elektroden zusammen, die elektrisch von einander isoliert und in geeigneten gegenseitigem Abstand mit einem Gehäuse aneinandergefügt sind, das mit den Elektroden eine vakuumdichte, ein Gas geeigneter Art und von geeignetem Druck einschließende Entladungskammer bildet. Anstelle von Zweifachelektrodenventilen werden manchmal Ventile mit drei Elektroden bevorzugt, die eine zwischen Endelektroden angeordnete Mittelelektrode aufweisen. Die Mittelelektrode kann derart durchlocht sein, daß ein allgemeiner Entladungsraum für alle

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drei Elektroden entsteht. Ventile zum Schutz gegen vorübergehende Überspannungen können zwischen Anschlußklemmen oder zwischen letztere und Erde gelegt werden.

Die Zündspannung eines derartigen Ventils wird u.a. durch das Elektrodenmaterial, den Elektrodenabstand und die Art sowie den Druck des Gases bestimmt. Die Zündspannung wird so gewählt, daß das Ventil nicht während normal angelegter Spannung zündet. Auf der anderen Seite wird das Ventil zünden, wenn sich eine Überspannung bildet, die eine Gefahr für die Einrichtung zur Folge haben kann. Die Entladung findet zuerst als Glimmentladung .statt, und die Spannung'am Ventil und damit an der geschützten Einrichtung wird dann auf die Glimmspannung des Entladungsventils begrenzt. Die Entladung geht jedoch in eine Bogenentladung über,.wenn größere Energiemengen in Verbindung mit der Überspannung verfügbar sind. Me am Ventil und damit an der Einrichtung anliegende Spannung fällt dann auf das ITiveau der Bogen spannung, die beträchtlich niedriger ist als die G-limmspannung. Ein Ventil mit einer HOrmalzündspannung bei 350 V kann somit eine Glimmspannung bei ungefähr 175 V und eine Bogenspannung bei 10 - 15 Volt aufweisen. Palls die Überspannung in Form eines Einschaltstoßes mit begrenzten Energiegehalten auftritt, ist es möglich, daß diese bereits in Verbindung mit der Zündspannung und der nachfolgenden Glimmspannung verbraucht wird. Falls die vorübergehende Überspannung größere Energiegehalte aufweist, tritt zuerst eine Glimmentladung auf, die aber in einen Entladungsstrom von ungefähr 0,5 Ampere in einer Bogenentladung übergeht, wobei die Energieinhalte bei dem Einschaltstoß schnell verbraucht werden. Das Ventil wird gelöscht, wenn die Energiegehalte des Einschaltstoßes verbraucht, und werden normale Spannungen wieder angelegt, weist das Ventil entweder Glimmspannung auf oder hält weiterhin Bogenentladungen aufrecht. Die Einschwingvorgänge, die sich selbst schützen sollen, weisen oft sehr hohe Vorderstufen auf, und zwar sind Stufen von ungefähr 500 bis 5000 Volt pro Mikrosekunde nicht

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ungebräuclilicli. Ein "Ventil, das Einschaltstöße gut verhindert, muß daher schnell ansprechen, so daß es .arbeitet, "bevor die Spannung Zeit hat, auf solche tferte zu steigen, "bei denen die Einrichtung beschädigt werden würde. Es ist "bekannt, daß Entladungsventile mit Kupferelektroden, die so angeordnet· sind, daß der Umfang des Entladungsspalts dicht an dem die Elektroden umgebenden Keramikzylinder angeordnet sind, schnell ansprechen, falls eine kleinere Menge Kupfer von den Elektroden auf die Keramik abgestäubt wird. Es ist festgestellt worden, daß Ventile dieser Art während schneller Überspannungseinschwingvorgänge infolge einer Feldelektronenemission im Bereich außerhalb des Elektrodenspalts, wo Kupfer auf die Keramik aufgestäubt worden ist, zünden. Die Elektronen, die während der Feldemission losgelöst worden sind, erhalten hohe Geschwindigkeit, was eine sehr schnelle Ionisierung des Gases in dem Entladungsspalt zur Folge, hat, was wiederum,.eine sehr schnelle Zündung des Ventils mit sich bringt. Je geringer die Entfernung zwischen Kupferelektroden und Keramik ist, desto schneller arbeitet das. Ventil. Die gute Wärmeleitfähigkeit des Kupfers bewirkt, daß die Hitze im Entladungsbereich schnell auf die gesamte Elektrode verteilt wird. Dies hat eine hohe Ladefähigkeit in der Einschwingeschaltung zur Folge. In vielen Fällen reicht es aus, die Einrichtung gegen Beschädigung durch ÜTserspannungseinschwingvorgänge zu schützen. Entladungsventile mit Kupferelektroden, die von einem Keramikkörper umgeben sind,, weisen in solchen Fällen eine ausgezeichnet gute Schutzwirkung wegen ihres schnellen Ansprechens und ihrer "Ladefähigkeit auf.

Es treten jedoch auch Fälle auf, in denen eine Einrichtung auch gegen Entladungen längerer Dauer zu schützen ist. Wenn z.B. Antennenleitungen verwendet werden, können in diesen sowohl Überspannungseinschwingvorgänge (unter anderen atmosphärischen Entladungen) als auch dauerhaftere Wechselstromentladungen (ζ. B. Kurzschlüsse in Starkstromleitungen oder Induktionen von letzteren) entstehen, in solchen Fällen muß die Einrichtung

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während der Zeit, die für eingeschaltete Stromsicherungen oder über kühlende Stromrelais zur Ermöglichung ihres Arbeitens notwendig ist, geschützt v/erden. Das bedeutet, daia das Ventil während einer halben Sekunde mit Wechselstrom einiger Ampere belastet werden kann. Venn,die Bogenspannung von Ventilen mit Kupferelektroden und normalerweise verwendeten Spaltabmessungen 45 Volt beträgt, kann die in dem Entladungsventil erzeugte 'Wirkung ziemlich, groß sein. Manchmal müasen die Elektroden des Ventils mit Kühleinrichtungen versehen werden, an die die erzeugte Hitze· abgeleitet und verteilt v/erden kann, falls die Temperatur wegen einer bestimmten Differenz in der lemperaturexpansion zwischen den Kupferelektroden und den mit letzteren verbundenen Keramikgehäuse nicht zur Folge haben soll, daß die Keramik zerspringt und das Ventil dann nicht länger die beabsichtigte Schutzwirkung ausübt.

Ein Verringern der Bogenspannung bedeutet eine reduzierte Entladung swirkung mit einem bestimmten Strom, und es sind aus diesem Grunde viele Ventilarten mit Elektroden entwickelt worden, die«, durch Überziehen mit einem Material geringer elektronischer Energiefreisetzung aktiviert werden, wie z.B. mit Bariumoxyd oder mit Thoriumoxyd. Manchmal werden üiickelpulver oder ein andex-es Metall eingemischt, um die Leitfähigkeit des Überzuges zu erhöhen. In diesem Zusammenhang wird ein Material mit der Bezeichnung KOVAR als Elektrodengrundmaterial verwendet. Bei an Spannung gelegten Ventilen dieser Art können Bogenspannungen von etwa 15 Volt erreicht werden. Dies führt in Kombination mit der relativ kleinen Kapazität des KOVAR_Materials zwecks Wärmeleitung von dem Entladungsspalt in den Bereich der Aneinanderfügung von Elektrode und Isolator und mit der Wärmedynamikdehnung des KOVAR-Katerials, die gleich der von Glas und Keramik ist, zu einer vorteilhafteren Ladefähigkeit für Wechselstrom verglichen mit Ventilen gleicher Dimension, -die Kupferelektroden aufweisen. Zur gleichen Zeit entstellt ein Risiko bei extremer Erhitzung im Spaltbereich der Elektroden wegen der kleineren

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Wärmeleitfähigkeitskapazität des KOVAR-Materials, was zu einer derart großen MaterialVerdunstung führen kann, daß die Elektroden durchschlagen werden, oder daß das Material auf dem Isolationsteil des Ventils niederschlägt, was zu Fehlern in der Isolation führt. In beiden Fällen wird das Ventil für seinen Zweck unbrauchbar.

Ventile mit Kupferelektroden sind jedoch beträchtlich besser als die Torhergehend genannten aktivierten Ventile, was die Ansprechschnelligkeit in Verbindung mit dem Schutz bei vorübergehenden Überspannungen betrifft. Aus diesem Grunde sind u.a. radioaktive Materialien beigemischt worden, oder ein radioaktives Gas ist in Ventilen mit aktiven Elektroden verwendet worden. Eine bestimmte.Verbesserung bezüglich der Schnelligkeit kann dadurch erreicht werden, jedoch keineswegs das gleiche niedrige ITiveau, das mit Kupferelektroden erzielt werden kann. In vielen Verbindungen läuft es jedoch immer auf Risiken und Schwierigkeiten hinaus, Komponenten mit radioaktiven Material oder radioaktiven Gas zu verwenden. Bei Ventilen gemäß der Erfindung ist es möglich, die Schnelligkeit der Keramikentladungsventile, die mit Kupferelektroden in Einschwingverbindung mit großer Ladefähigkeit bei Wechselstrom ohne Verwendung von sowohl radioaktiven Material oder Gasen oder einer mit einem Material überzogenen Elektrode zu schaffen, die eine geringe elektronische Energiefreisetzung aufweist. Die Ventile gemäß der Erfindung weisen nebenbei im Vergleich zu den Ventilen mit KOVAR-Elektroden den Vorteil auf, daß die Ladefähigkeit weiterhin mit Hilfe von Kühleinrichtungen vergrößert werden kann. .Die ziemlich geringe Wärmeleitfähigkeit der KOVAR-Elektroden läßt keine erwähnenswerte Vergrößerung der Ladefähigkeit bei Verwendung von Kühleinrichtungen zu.

Die erfindungswesentlichen Merkmale ergeben sich aus den Patentansprüchen ο Bei Ventilen gemäß der Erfindung werden z.B. Kupferelektroden verwendet, die zumindest in den Grenzflächen

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der Spalte mit einer Schicht eines geeigneten Metalls mit niedriger Bogenspannung und mit einer Dicke bis zu einigen Zehntel eines Millimeters überzogen sind. Zwecks Erhaltung der Schnelligkeit des Ventils während der Zündung ist es erwünscht, daß das Überzugsmaterial während der Erhitzung eine Legierung mit dem Elektrodenmaterial bildet. In Anbetracht der von den Ventilen verlangten Isolationsansprüche ist es v/eiterhin wünschenswert, daß das verwendete Überzugsmaterial oder seine Kupferlegierung während Temperaturen bis zu ungefähr 650° C (Entgasung S temperatur während- der Herstellung) einen Siededruck unterhalb von ungefähr 10 mm Hg aufweist, und daß der Siedepunkt (eventuell Die Sublimat temperatur) für das Überzugsmetall oder die Legierung höher ist als die bei der Herstellung der Ventile verwendete maximale 'Temperatur, die meist um 825° 0 liegt. Y/ismuth, Antimon und Zinn haben sich in dieser Beziehung als geeignete Metalle bewiesen, aber es kommen auch andere Metalle in Frage. Es hat sich erwiesen, daß Kupfer elektroden mit derartigen Metallüberzügen sowohl eine Zündungsschnelligkeit bei kurzzeitigen Überspannungen als auch eine große .festigkeit bei Wechselstrom zulassen. Die Hitze, die sich während einer Bogenentladung bildet, wird schnell über die gesamte Elektrode wegen der großen Wärmeleitfähigkeit des Kupfers und eventuell auf einer mit der Elektrode verbundenen Kühleinrichtung verteilt. In Verbindung mit den Bogenentladungen entstehen fortlaufend wechselnde Kathoden- und Anodenleuchtflecken mit einem Durchmesser von einem oder einigen Zehnteln eines Millimeters dort, wo die Temperatur augenblickliche V/er te von einigen tausend Grad Celsius erreichen kann. Die Metal!verdampfung, die eine derartige Erhitzung zur Folge hat, ist für das Bestehen der Bogenentladung notwendig. Die Erhitzung hat jedoch auch zur Folge, daß in Verbindung mit der Entladung eine Legierung .zwischen dem Kupfermateria.1 der Elektrode mit dem auf die Grenzflächen der Spalte gebrachten Material gebildet wird. Diese Legierungsbildung beginnt schon infolge der Temperatur, der die Ventile in Verbindung mit der Aneinanderfügung der Elektro-

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den und des Keramikkörpers zwischen letzteren ausgesetzt sind. Die Bronze, die folglich "bei dem Legierungsprozeß gebildet wird, scheint praktisch die gleiche geringe Bogenspannung wie das aufgebrachte Metall aufzuweisen, aber der Schmelzpunkt ist höher, was vorteilhaft ist.

Verglichen'mit bereits bekannten Ventilen mit Kupferelektroden halten die erfindungsgemäßen Ventile etwa die dreifache Wechselstrombelastung aus. Palis die Elektroden mit einer geeigneten Kühleinrichtung versehen werden, steigert sich die Festigkeit für Wechselstrombelastung wesentlich mehr.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich ■ aus der Beschreibung der Zeichnung. In letzterer sind:

Figur 1 ein zwei Elektroden aufweisendes Ventil gemäß der Erfindung,

Figur 2 ein Beispiel eines Wechselstromelektrodenformens gemäß der Erfindung und

Figur 3 eine Darstellung der Anwendung der Erfindung bei einem Ventil mit drei Elektroden.

Wie aus Figur 1 hervorgeht, sind über ein Druckventil zwei Elektroden E.. und E2 vakuumdicht mit einem zylindrischen Keramikkörper aneinandergefügt... Mit L. und L₂ sind Lötstellen zwischen den Einheiten E₁-K und K-Ep bezeichnet. Das bloße Löten wird mit Hilfe eines geeigneten Metallötmittels ausgeführt. Ein Kupfer-Silber-Lötmittel mit einem Schmelzpunkt von ungefähr 8oo° C wird gewählt. Das Löten wird.geeigneter Weise in.Gas ausgeführt, daß das Ventil zu enthalten hat, und der Gasdruck ist so angepaßt, daß ein gewünschter Gasdruck in dem Ventil nach der Abkühlung des verlöteten Ventils erhalten wird. Die Größe des Gasdrucks beträgt ungefähr 50 - 100 mm Hg.

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Me Elektroden S, und Ep "bestehen aus Kupfer, auf dem ein Überzug S₁ bzv/. 8p aus einem der Metalle './ismuth, Antiraon, Zink oder Zinn aufgebracht worden ist. Der überzug kann bloß auf einem Teil der Elektrodenoberfläche im Bereich des Spaltes G, wie bei S. gezeigt ist·, oder entsprechend Sp, den gesamten Bereich des Spaltes zwischen den Elektroden bedecken. Versuche sind mit Elektroden durchgeführt worden, bei den die gesainte, im Entladungsraum befindliche Elektrodenoberfläche von einem Überzug der erwähnten, eine niedrige jjogen spannung aufweisenden Metalle bedeckt worden sind, somit auch an den dünnen Stützen zwischen Elektrode und Keramikkörper. Mit Hücksicht auf die Bogenspannung ist dies durchaus armehrabar, aber die Zündungsgeschwindigkeit wird während der Einschwingvorgänge in ungünstiger .Richtung beeinflußt, wenn derartige vollkommen bedeckte Elektroden verwendet werden.

Es hat sich herausgestellt, daß die Dicke des Überzugs vorzugsweise ein oder einige Zehntel Millimeter betragen kann» Das Verfahren zum Aufbringen des Überzuges ist von zweitrangiger Bedeutung. Es kann auf galvanischem '.'lege oder durch Schmelzen geeigneter Metallmengen, z.B„ in Form geeigneter Stückchen oder Pulvermengen, vorgenommen werden. Auch Legierungen der erwähnten, eine niedrige_ Bogenspannung aufweisenden Metalle oder dieser und von Kupfer können für den genannten Zweck verwendet werden. Pulver kann auch in einer Flüssigkeit schwebend, eventuell mit einem Bindemittel versetzt, verwendet v/erden, so daß das Dosieren auf die Elektroden erleichtert wird. Ein Beispiel von Herstellungsverfahren von Entladungsventilen gemäß der Erfindung wird nachfolgend beschrieben, Elektroden., die die gleiche Gestalt wie die in Figur 1 gezeigten aufweisen, werden auf einer Platte aus einem hitzebeständigen Material hergestellt. Die Begrenzungsflächen des Spaltes werden nach oben gewendet und in jede Spaltvertiefung wird eine Zinnkugel geeigneter Größe eingesetzt. Die Platten mit den Elektroden werden in einem Ofen mit geeigneter Schutzatmosphäre, wie z.B. Argon oder Was-

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serstoffgasatmosphäre angeordnet. Während der Erhitzung auf etwa 23O^ö G schmilzt das Zinn und ergießt sich über eine Fläche, die hauptsächlich von der Menge des Zinns bestimmt wird* Die '!emperatur kann dann z.B. auf 600° C oder sogar auf 800° G erhöht werden, was der Löttemperatur während des Aneinanderfügens der Ventile entspricht. Das Ergebnis der Wärmebehandlung besteht darin,, daß die Kupferelektroden über einen zuvor bestimmten 'feil ihrer Oberfläche mit einem Bronzeüberzug überzogen werden. ' Die Elektroden werden dann zur Aneinanderfügung und zum Verlöten zu. Ventilen verwendet.

Die Bildung eines Bronzeüberzuges ist nicht zwingend notwendig, um Entladungsventile güter 8chutzq_ualität zu erhalten. Ss reicht aus,. dai3 Metall niedriger Bogen spannung auf der Oberfläche der Elektroden anzuschmelzen. Ein bestimmter Legierungsgrad mit dem Kupfer der Elektrode wird jedoch auch in diesem Fall in Verbindung mit dem Löten des Ventils stattfinden. Nebenbei hat sich herausgestellt, daß die Zuführung des gewünschten Metalls einfach in Verbindung mit der Aneinanderfügung der Ventile stattfinden kann. Eine Elektrode, z.B. die Elektrode Ep in Pigur 1 kann z.B. auf -einer Platte angeordnet sein. Die Aneinanderfügung setzt sich mit der Anlegung eines Lötringes L,,, des Keramikkörpers K, eines anderen Lötringes L. und schließlich einer oberen Elektrode E. fort, die nicht mit einem liberzugsmaterial versehen worden ist. 'In Verbindimg mit dem .nachfolgenden Löten schmilzt das zugefügte Metall in der unteren"Elektrode. Ein Überzug wird gebildet und eine bestimmte Legierung mit Kupfer findet an diesen Elektroden statt. In Verbindung hiermit kann eine bestimmte Verdunstung des zu der oberen Elektrode zugeführten Metalls stattfinden. Mehr Material wird jedoch zu letzterer in Verbindung mit den Entladungen überführt, werden, denen das Vent-il während der Herst el'lungsphas en ausgesetzt sein wird, die nach dem Löten des Ventils folgen. Ausgeführte Untersuchungen haben gezeigt, daß diese vereinfachte Herstellungstechnik "praktisch das gleiche Endergebnis ergibt, das bei Verwendung

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vorbekannte Elektroden erhalten wird.

Es ist zwar erwähnt worden, daß die Festigkeit während der ¥echselstrombelastung für Ventile gemäß der Erfindung mit Hilfe von Kühleinrichtungen weiter gesteigert werden kann. In Figur 1 sind die den Ring bildenden Oberflächen der Elektroden mit EL und Hp bezeichnet, die geeigneter Weise mit einem derartigen Mittel verbunden werden können. Diese können geeigneter Weise aus Kupferzylindern bestehen.

In Figur 2 ist eine alternative Elektrodenform mit einer ebenen Spaltungsbegrenzungsflache dargestellt. Auch hier kann die gesamte Oberfläche, siehe Sp, auf der rechten Seite der Figur, oder nur ein Seil der Oberfläche, siehe S₂₂ auf der linken Seite der Figur, mit einem überzug gemäß der Erfindung versehen sein.

Figur 3 zeigt schließlich, wie ein drei Elektroden aufweisendes Ventil, das Elektroden E^₁ und E^„, - eine Mittelelektrode E~~ und Keramikstückchen K. und K_? gemäß der Erfindung aufweist, mit einem eine geringe Bogenspannung aufweisenden Metall S^₁ und S^₂ auf einem Teil der Oberflächen der Elektroden versehen worden ist. Eine oder einige Elektroden können vorbehandelt worden sein, bevor die Aneinanderfügung stattfindet, aber auch in diesem Fall ist es möglich, ein gutes Ergebnis durch. Zuführen eines erwünschten Metalls zu einer der Elektroden (der unteren) in Verbindung mit dem Zusammenfügen des Ventils zu erzielen.

Die in den Figuren gezeigten Einzelheiten sind in der Vergrößerung dargestellt. Die geeigneten Dimensionen für Ventile mit zwei Elektroden betragen 6 bis 9 mm im Durchmesser und 5 bis 6 mm in der Höhe. Drei Elektroden aufv/eisende Ventile besitzen meist ungefähr den gleichen Durchmesser und die doppelte Höhe.

Metalle, die als Überzug aufgebracht bzw, mit z.B. Kupferelektroden legiert sein können, sind Wismuth, Antimon, Zink oder Zinn,

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wie bereits erwähnt worden ist. Pur diese Metalle "beträgt die mittlere Bogenspannung im Vakuum zwischen 5 bis 15 Volt, während das Produkt aus thermischer Leitfähigkeit und Siedepunkt zwischen 10 und 1000 cal/cms beträgt.

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Claims

Pat en t an s pr üche

1. J Gasgefülltes Entladungsventil zur Verwendung als Überspannungsschutzeinrichtung mit. miiidestens zwei Elektroden und einem die Elektroden vakuumdicht verbindenen Isolationskörper, wobei die Elektroden und der Isolationskörper so dimensioniert und angeordnet sind, daß mindestens ein Entladungsspalt im Ventil vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden auf mindestens einem Teil ihrerEntladungsoberfläche Elemente eines Metalls aufweist, das zwischen den Metallen liegt, für die das Produkt des thermischen Leitvermögens und des Siedepunktes geringer als 1000 cal/cms und die Bοgenspannung im Vakuum geringer als 15 "Volt sind.

2. Gasgefülltes Entladungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Wismuth, Antimon, Zink oder Zinn ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines gasgefüllten Entladungsventils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden mit Elementen des Metalls versehen wird, daß die mit den Elementen des genannten Metalls versehene Elektrode und die derart mit den Elementen des genannten Metalls versehene Elektrode, die verbleibende Elektrode ohne ein derartiges Metallelement und der Isolationskörper vakuumdicht aneinanderfügt werden, und daß die verbleibende Elektrode danach mit Elementen des genannten Metalls durch Entladungsabstäubung von der bereits mit diesem Metall versehenen Elektrode versehen wird.

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