DE2750002C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Überspannungsableiter ist z. B. in Fernsprechgeräten verwendet zum Schutz gegen extern verursachte Spannungsstöße (beispielsweise Blitzschläge, durch Induktion verursachte Spannungsstöße oder durch unbeabsichtigte Berührung von Fernsprechleitungen mit Starkstromleitungen.

In Übertragungsanlagen mit großen Freileitungsstrecken ist es üblich, Anschlußgeräte mit Hilfe von Überspannungsableitern vor Spannungsstößen (z. B. Blitzschlägen) zu schützen. Diese Überspannungsableiter werden zwischen Leitung und Erde an jeder Endstelle eingesetzt. Gefordert wird von solchen Überspannungsableitern, daß sie ohne Beschädigung mehreren Spannungsstößen widerstehen. Für den Fall eines Ausfalls des Überspannungsableiters sollte ein Kurzschluß zwischen Leitung und Erde bestehen bleiben, um das angeschlossene Gerät sicher zu schützen.

Bei einem Typ von Überspannungsableitern sind zwei Kohleblock-Elektroden mit parallelen Stirnflächen unter Bildung eines etwa 50 µm großen Luftspalts einander gegenüberliegend angeordnet. Zwar ist eine solche Anordnung billig in der Herstellung, das Ersetzen ausgefallener Überspannungsableiter dieser Art ist jedoch hoch. Man war daher bestrebt, die Betriebsdauer solcher Überspannungsableiter zu verbessern.

Es wurden gasdicht eingekapselte Überspannungsableiter vorgeschlagen, in denen sich die Elektroden mit dem Funkenspalt in einer Edelgasatmosphäre befinden, die das Elektronen-Emissionsvermögen der Elektroden erhöht. Der Luftspalt bei solchen Überspannungsableitern ist relativ groß (beispielsweise 500 µm). Durch gleichzeitige Gasdruck-Reduzierung soll erreicht werden, daß die Durchbruchspannung etwa genauso groß ist wie bei Vorrichtungen mit Luftspalt (US-PS 34 55 811). Der breitere Spaltabstand erhöht zwar die Betriebsdauer des Überspannungsableiters, weil die Möglichkeit eines Kurzschlusses an dem relativ großen Spalt herabgesetzt ist, allerdings steigt die Durchbruchspannung bei einer Undichtigkeit der Einkapselung auf einen Wert an, der weit über der Sicherheitsgrenze liegt. In diesem Zustand kann ein solcher Überspannungsableiter seine gewünschte Funktion nicht mehr erfüllen. Hält man den Edelgasdruck in dem Gehäuse etwa auf Atmosphärendruck, muß der Spalt zwischen den Elektroden auf etwa 25 bis 75 µm reduziert werden. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Durchbruchspannung im Fall einer Undichtigkeit nicht übermäßig erhöht.

Bei den oben beschriebenen Überspannungsableitern ist die Einstellung der Spaltbreite besonders kritisch; denn die Spaltbreite legt die Soll-Durchbruchspannung fest. Die Herstellung eines solchen Überspannungsableiters erforderte bislang Bauteile mit engen Toleranzen, damit die Spaltbreite innerhalb der erforderlichen engen Toleranzen gehalten wurde.

Die DE-OS 19 44 564 zeigt in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren zum Herstellen eines Überspannungsableiters mit zwei Elektroden. Gehäuse und Elektroden werden mit Hilfe einer Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung verbunden. Während des Herstellungsvorgangs werden die Elektrodenteile nach dem Hochfrequenzverfahren erhitzt und die Beglasung geschmolzen. Die Größe des Funkenspalts zwischen den beiden Elektroden wird durch entsprechende Bemessung der Teile des Überspannungsableiters festgelegt. Sind diese Teile nicht mit sehr engen Toleranzen gefertigt, so ergeben sich Größenschwankungen bei den Funkenspalten, mit der Folge, daß möglicherweise ein großer Teil der hergestellten Überspannungsableiter Ausschuß ist.

Es ist auch bereits bekannt (DE-OS 23 46 987), in einem Überspannungsableiter die Elektroden mit den sie haltenden Teilen zu verlöten. Die Größe des Funkenspalts wird dabei durch entsprechende räumliche Anordnung der Elektroden eingestellt. Will man Überspannungsableiter mit einer Soll-Durchbruchspannung herstellen, die einen Funkenspalt im Mikrometerbereich erfordert, so sind die bislang bekannten Verfahren aufgrund des hohen Aufwands zum Positionieren der Elektroden unwirtschaftlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß das aufwendige Positionieren der Elektroden zum Definieren der Breite des Funkenspalts entfallen kann und dennoch eine Funkenspalt-Breite in einem vorgegebenen Bereich erhalten wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Erfindung nutzt die unterschiedliche Wärmeausdehnung verschiedener Stoffe. Werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Teile der Anordnung erhitzt, bleiben die beiden metallischen Elektroden in Berührung. Nach dem Abkühlen erhärtet die schmelzbare Metallegierung, so daß sich die Elektrodenkappe nicht mehr in dem Halteteil verschieben kann. Bei weiterer Abkühlung schrumpfen die Elektroden um ein gegebenes Maß. Da das aus Isolierstoff bestehende Gehäuse weniger schrumpft als die metallischen Elektroden, bilden sich zwischen den Elektroden der Funkenspalt. Durch geeignete Materialauswahl und/oder Dimensionierung lassen sich Spaltbreiten in gewünschten Bereichen erzielen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist wesentlich wirtschaftlicher als die bekannten Verfahren, weil auf die aufwendigen Positionierungsarbeiten verzichtet werden kann.

Bei Umgebungstemperatur weist die Vorrichtung eine Spaltbreite auf, die in erster Ordnung lediglich von den Gesamtabmessungen der Einzelteile und von den Koeffizienten der linearen Ausdehnung der verwendeten Materialien abhängt. Unter Verwendung dieser Methode ist es beispielsweise möglich, eine Vorrichtung mit einem Spalt von 75 ± 10 µm herzustellen, und zwar unter Verwendung von Einzelteilen, deren Abmessungen eine Herstellungstoleranz von ±100 µm haben können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit einer teleskopartigen Elektrode,

Fig. 2 einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit zwei teleskopartigen Elektroden und

Fig. 3 einen Längsschnitt einer teleskopartigen Elektrode.

Wie die Vorrichtung in Fig. 1 zeigt, enthält der erfindungsgemäße Überspannungsableiter zwei Elektroden 11, 12, die je an einem Ende eines isolierenden Gehäuses 13 befestigt sind. Die Elektrode 12 umfaßt zwei teleskopartige Einzelteile: ein Halteteil 14 mit einem Flansch und eine Elektrodenkappe 15. Die Höhe des Halteteils ist so bestimmt, daß genügend Spiel bleibt, um die Höhentoleranzen aller Bauteile plus die gewünschte Spaltbreite zu kompensieren. Das mit Flansch versehene Halteteil 14 ist mit Schultern 16 versehen, um die Elektrode 12 innerhalb des Gehäuses 13 auszurichten. Bei der Elektrode 12 ist das mit Flansch versehene Halteteil aus Blech hergestellt und bildet eine mit einem Flansch versehene Hülse.

Die Einzelteile sind durch ein schmelzbares Metall 18 dort, wo sie einander berühren, dicht miteinander verbunden. Das schmelzbare Metall kann durch irgendeine vieler bekannter Methoden aufgebracht werden, beispielsweise durch Auflegen von Metallringen an den zu verbindenden Stellen. Der Ausdruck Löten umfaßt jeglichen Vorgang der Befestigung mittels der Verwendung eines erstarrenden Flüssigmetalls (beispielsweise Hartlöten), insbesondere an der Innenverbindungsstelle zwischen dem Halteteil 14 und der Elektrodenkappe 15. Die äußeren Verbindungsstellen können beispielsweise geschweißt werden.

Zur endgültigen Herstellung werden die Einzelteile so zusammengesetzt, daß sich die Elektroden 11 und 12 dort berühren, wo schließlich der Spalt 19 gebildet werden soll. Für eine automatische Herstellung ist es wünschenswert, daß die teleskopartigen Bauteile der zweistückigen Elektrode 12 eine lose Gleitpassung aufweisen (beispielsweise ein Spiel von etwa 50 Mikrometern) und daß die Anordnung vertikal, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, mit der zweistückigen Elektrode zu oberst, in den Lötofen gestellt wird. Auf diese Weise hält die Schwerkraft die Berührung an der Spaltstelle 19 aufrecht. Wenn eine vollständig dichte Vorrichtung erzeugt werden soll, wie es beispielhaft durch Fig. 1 dargestellt ist, werden die Zusammensetzung und der Druck der Atmosphäre des Lötofens zu gesteuert, daß die gewünschte Atmosphäre in der abgedichteten Vorrichtung entsteht. Die Temperatur des Ofens wird auf die Löttemperatur erhöht, bei welcher das schmelzbare Metall flüssig ist, und dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Wenn das Metall während des Kühlens erstarrt, entsteht eine feste Verbindung zwischen der Elektrodenkappe 15 und dem Halteteil 14. Ein nachfolgendes Schrumpfen der Metallteile gegenüber dem isolierenden Gehäuse 13 führt zur Öffnung des Schutzspaltes 19. Dies deshalb, weil die Koeffizienten der linearen Ausdehnung der Metalle typischerweise größer als die Koeffizienten der linearen Ausdehnung isolierender Materialien sind. Wenn in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung die untere Elektrode 11 und die Elektrodekappe 15 aus dem selben Material und das Halteteil 14 aus einem anderen Material hergestellt sind, ist die Spaltbreite durch folgenden Ausdruck gegeben:

G = (l₂c₂ + l₃c₃ - l₁c₁) (T₂ - T₁) (1)

In diesem Ausdruck bedeuten G die Spaltbreite; l₁, l₂ und l₃ in Fig. 1 gezeigte Längenabmessungen; c₁ den Koeffizienten der linearen Ausdehnung des isolierenden Keramikgehäuses 13; c₂ den Koeffizienten der linearen Ausdehnung der Elemente 11 und 15; und c₃ den Koeffizienten der linearen Ausdehnung des Halteteils 14. T₂ ist die Liquidustemperatur der Lotlegierung, und T₁ ist die Umgebungstemperatur. Gleichung (1) setzt voraus, daß die Ausdehnungskoeffizienten bezüglich der Temperatur konstant sind. Dies ist für die meisten reinen Metalle eine vernünftige Annäherung. Für andere Materialien kann man das Produkt c₁(T₂-T₁) aus veröffentlichten Diagrammen und Tabellen entnehmen. Dieses Produkt repräsentiert den Längenänderungsbruchteil zwischen zwei Temperaturen.

Fig. 2 zeigt einen Überspannungsableiter, bei dem sowohl die untere Elektrode 21 als auch die obere Elektrode 22 zwei teleskopartige Einzelteile aufweist (eine mit Flansch versehene Hülse 24 und eine Elektrodenkappe 25). Dies kann man für die Bequemlichkeit tun, weniger unterschiedliche Grundeinzelteile herstellen zu müssen. Die metallischen Endansatzteile 26, 27 sind so konzipiert, daß sie an die Teile der Vorrichtung angepaßt sind, in welche der Überspannungsableiter eingebaut werden soll. Wie in Fig. 1 sind die Elektroden 21, 22 durch ein isolierendes Gehäuse 23 getrennt.

Fig. 3 zeigt eine Elektrodenanordnung 31, bei der ein mit Flansch versehenes Halteteil 34 aus massivem Material hergestellt ist und in einem Hohlraum in der Elektrodenkappe 35 sitzt. Wenn die Elektrodenkappe 35 und das Halteteil 34 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, ist es wünschenswert, daß das Material mit dem höheren Koeffizienten der linearen Ausdehnung im Teil mit dem niedrigeren Koeffizienten der linearen Ausdehnung sitzt. Wenn diese Situation gegeben ist, wird, wenn die Temperatur des Lötofens erhöht wird, der Sitz zwischen den beiden Elementen fester. Dies führt dazu, die Elemente zueinander auszurichten, und erzeugt einen besseren Lötkontakt. Wenn beispielsweise die Elektrodenkappe 35 aus Kupfer und das Halteteil 34 aus Kovar hergestellt ist, dann sollte, wie in Fig. 1, die Elektrodenkappe 15 vorzugsweise im Inneren des Halteteils 14 teleskopisch verschiebbar sein. Wenn das Halteteil 34 aus Kupfer und die Elektrodenkappe 35 aus Molybdän hergestellt sind, wird gemäß Fig. 3 das Halteteil 14 so konstruiert, daß es in der Elektrodenkappe 35 sitzt.

Der Isolator 13, 23 kann aus einer Keramik (beispielsweise hochdichtem Aluminiumoxid), einem Glas (beispielsweise Quarzglas), einem kristallinen Material (beispielsweise Saphir) oder einem anderen Material hergestellt sein, das als schützende Hülle geeignet ist. Es muß auch der hohen Temperatur standhalten können, die üblicherweise benötigt wird, um eine unterschiedliche thermische Kontraktion zu erzeugen, die für die gewünschte Spaltbreite ausreicht. Aus demselben Grund ist die Verwendung eines schmelzbaren Metalls mit einer Erstarrungstemperatur von 600°C oder mehr zu bevorzugen.

Beim Konzipieren eines Überspannungsableiters der hier beschriebenen Art muß der Konstrukteur die Spaltbreite sowie die Zusammensetzung und den Druck des Gases innerhalb der Vorrichtung so wählen, daß die gewünschte Schutzdurchbruchspannung erzeugt wird. Die Beziehung zwischen diesen Parametern ist bekannt. Wenn die Vorrichtung, wie bei den erläuterten Vorrichtungen, in einem vollständig abgedichteten Zustand hergestellt werden soll, muß das Hartlöten in einem Ofen mit gesteuerter Atmosphäre geschehen. Bei der Auswahl des atmosphärischen Drucks des Ofens muß natürlich die lineare Änderung des Gasdrucks mit der Temperatur beachtet werden.

Beispiel

Bei einer Vorrichtung der Fig. 2 wurde das Halteteil, eine mit Flansch versehene Hülse, aus Kovar (einer Legierung aus ∼28% Nickel, 17% Kobalt, Rest Eisen) hergestellt, dessen Längenänderungsbruchteil zwischen 800°C und Raumtemperatur bei etwa 0,83% liegt. Die Gesamtlänge der Kovarteile l₃ = l₃′ + l₃′′ war 2,9 ± 0,1 mm. Die Elektrodenkappen 25 waren aus Kupfer mit einem Längenänderungsbruchteil von etwa 1,65% über dem genannten Temperaturbereich hergestellt, und die Gesamtlänge l₂ war 4,2 ± 0,1 mm. Eine Hartlotlegierung aus Kupfer-Silber-Eutektikum (BT-Hartlot), das bei etwa 800°C schmilzt, wurde in Form von Hartlotringen auf entsprechende Bereiche der Bauteile aufgebracht. Die teleskopischen Teile waren so konstruiert, daß sie einen losen Gleitsitz aufwiesen. Das Gehäuse 23 bestand aus hochdichter Aluminiumoxidkeramik mit einem Längenänderungsbruchteil von etwa 0,6% und einer Länge l₁ von 7,6 ± 0,15 mm. Diese Teile wurden vertikal zusammengesetzt und in einen Hartlotofen gesetzt, der eine gesteuerte Argonatmosphäre mit einem Druck aufwies, der zur Erzeugung eines Druckes von einer Atmosphäre "nach Abkühlung" reichte. Nach dem Hartlöten und der Verringerung der Temperatur auf Umgebungstemperatur (etwa 20°C) war die Spaltbreite 0,06 ± 0,01 mm.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen eines Überspannungsableiters, bei dem in einem rohrförmigen, isolierenden Gehäuse zwei Elektroden mit Abstand voneinander unter Bildung eines Funkenspalts befestigt werden, wobei jede Elektrode einen Flansch aufweist, der mit einem der einander abgewandten Gehäuseenden in Eingriff steht und daran befestigt ist, und mindestens eine der Elektroden einen Halteteil (14, 24, 34) mit Flansch und einer Elektrodenkappe (15, 25, 35) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Gehäuse (13, 23) und die Elektroden (11, 12; 21, 22) derart zusammengefügt werden, daß sich die den Funkenspalt definierenden Stirnflächen der Elektroden berühren,
• - vor dem Zusammenbau der Halteteil (14, 24, 34) und die Elektrodenkappen (15, 25, 35) teleskopisch in Eingriff miteinander stehen, so daß sich die den Funkenspalt definierenden Stirnflächen in ihrer Lage so einstellen können, daß sie einander berühren, wobei zwischen dem Halteteil und der Elektrodenkappe im Eingriffsbereich dieser Teile eine schmelzbare Metallegierung (18) vorgesehen ist,
• - die Temperatur der Anordnung über die Hartlöttemperatur erhöht wird und
• - die Anordnung auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, wobei die Breite des Funkenspalts (19) bestimmt wird durch die unterschiedliche Kontraktion der Elektroden in bezug auf das Gehäuse (13, 23) während des Abkühlens von der Hartlöttemperatur auf die Umgebungstemperatur.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Flansch versehene Halteteil (14, 24) als Hülse ausgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schmelzbare Metallegierung bei Temperaturen unterhalb 600°C fest ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schmelzbare Metallegierung hauptsächlich Kupfer und Silber enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (21, 22) im wesentlichen aus einem mit Flansch versehenen Halteteil (14, 24, 34) und einer Elektrodenkappe (25) besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche der Elektroden (21, 22) mit Hilfe der schmelzbaren Legierung an dem Gehäuse (13, 23) befestigt werden.