CH647897A5

CH647897A5 - Overvoltage suppressor having an internal short-circuit in the event of overloading

Info

Publication number: CH647897A5
Application number: CH506779A
Authority: CH
Inventors: Gerhard Lange; Siegfried Derkow
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1978-06-29
Filing date: 1979-05-31
Publication date: 1985-02-15
Also published as: DE2828591A1; FR2430084A1; FR2430084B3

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsabieiter mit einem gasgefüllten Gehäuse, in dem in einem rohrförmigen Isolierkörper mit Abstand Elektroden gegenüberstehen, von denen mindestens eine auf ihrer der anderen Elektrode zugewandten Oberfläche mit einem Metallplättchen versehen ist, das bei Überlastung des Überspannungsabieiters eine galvanische Verbindung mit der gegenüberliegenden Elektrode herstellt und das einen grösseren Durchmesser als seine» mit der Elektrode verbundene Fläche hat. The invention relates to a surge arrester with a gas-filled housing in which electrodes are spaced apart in a tubular insulating body, at least one of which is provided on its surface facing the other electrode with a metal plate which, when the surge arrester is overloaded, has a galvanic connection to the opposite electrode manufactures and which has a larger diameter than its »surface connected to the electrode.

Ein derartiger Überspannungsabieiter ist bekannt (DE-PS 21 Ol 417). Durch die Massnahme, das sehr dünne Metallplättchen mit einem grösseren Durchmesser als seine Befestigungsfläche auf den Elektroden des Abieiters zu versehen, wird zwangsläufig eine unterschiedliche Wärmeleitung des Metallplättchens zur Elektrodenoberfläche bewirkt. Die Randflächen, welche nicht auf der Elektrode aufliegen, schmelzen deshalb im Grenzbelastungsbereich des Überspannungsabieiters auf die Gegenelektrode auf oder verschmelzen, falls die Gegenelektrode zweckmässig ebenfalls mit einem Metallplättchen belegt ist, mit diesem anderen Metallplättchen. Es wird damit ermöglicht, dem Überspannungsabieiter eine Kurzschlusskennlinie zu geben, die stets unter der sogenannten Zerstörungskennlinie des Abieiters verläuft. Such a surge arrester is known (DE-PS 21 Ol 417). The measure of providing the very thin metal plate with a larger diameter than its fastening surface on the electrodes of the conductor inevitably results in different heat conduction of the metal plate to the electrode surface. The edge surfaces which do not rest on the electrode therefore melt on the counterelectrode in the limit loading range of the surge arrester or fuse, if the counterelectrode is also expediently coated with a metal plate, with this other metal plate. It is thus possible to give the surge arrester a short-circuit characteristic which always runs below the so-called destruction characteristic of the arrester.

Neben diesem Überspannungsabieiter mit innerem Kurz-schluss bei Überlastung sind auch Überspannungsabieiter mit äusseren Kurzschlussmechanismen bekannt (DE-PS 19 22 823). Bei diesen Einrichtungen ist eine Weichlotpille neben einer Elektrode angeordnet. Zusätzlich ist ein Bügel erforderlich, der im Betriebszustand kurz vor der Gegenelektrode endet. Ausserdem ist eine Federkraft notwendig. Bei Erwärmung des Abieiters schmilzt die Weichlotpille, das Lot wird durch die Federkraft seitlich herausgedrückt und der Bügel führt den äusseren Kurzschluss herbei. Wirtschaftlicher ist ein Überspannungsabieiter mit innerem Kurzschluss, da der mechanische Aufwand wesentlich geringer ist. Ausserdem ist kein zusätzlicher äusserer Raumbedarf erforderlich. In addition to this surge arrester with an internal short circuit in the event of an overload, surge arresters with an external short circuit mechanism are also known (DE-PS 19 22 823). In these devices, a soft solder pill is arranged next to an electrode. In addition, a bracket is required, which ends just before the counter electrode in the operating state. A spring force is also required. When the conductor is heated, the soft solder pill melts, the solder is pressed out laterally by the spring force and the bracket causes the external short circuit. A surge arrester with an internal short circuit is more economical because the mechanical effort is significantly lower. In addition, no additional external space is required.

Gasentladungs-Überspannungsableiter werden z.B. häufig im Hauptverteiler zum Schutz von Nachrichtenleitungen eingesetzt. Dabei entsteht eine hohe Packungsdichte. Um die Funktion einer solchen Einrichtung langfristig sicherzustellen, muss eine Beschädigung von Isolationsteilen und federnden Anschlüssen durch Überhitzung vermieden werden. Starke Erwärmungen treten durch die Verlustleistung im Abieiter auf, wenn z.B. ein Wechselstrom durch Berührung der Nachrichtenleitung mit einer Wechselstromleitung längere Zeit, d.h. in der Grössenordnung von ungefähr 30 Sekunden, eingespeist wird. In diesen Fällen soll ein innerer oder äusserer Kurzschluss eintreten, der als galvanischer Schluss so niederohmig die Überspannung ableitet, dass keine schädliche Erwärmung mehr entsteht. Gas discharge surge arresters are e.g. often used in the main distribution board to protect communication lines. This creates a high packing density. In order to ensure the long-term functioning of such a device, damage to insulation parts and resilient connections due to overheating must be avoided. Severe heating occurs due to the power loss in the drain if, for example an AC current by contacting the communication line with an AC line for a long time, i.e. on the order of approximately 30 seconds. In these cases, an internal or external short circuit should occur, which, as a galvanic short circuit, dissipates the overvoltage with such a low resistance that there is no longer any harmful heating.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Überspannungsablei-ter mit sogenanntem «fail safe»-Verhalten (Kurzschlussmechanismus) zu schaffen, bei dem die Wärmeableitung von den Elektroden so steuerbar ist, dass einerseits die geforderten Wechsel- und Stossstrombelastungen ohne Änderung des Ansprechverhaltens durchführbar sind und andererseits der Kurzschlussmechanismus auch bei langanhaltender niedriger Wechselstrombelastung eintritt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Überspannungsabieiter der eingangs genannten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, dass das Metallplättchen als kompakte Scheibe ausgebildet ist, auf deren aktiver Oberfläche eine Schicht aus einer Masse hoher thermischer Elektronenemissionsfähigkeit aufgebracht und in Vertiefungen in der Oberfläche verankert ist. The object of the invention is to provide a surge arrester with a so-called "fail safe" behavior (short-circuit mechanism), in which the heat dissipation from the electrodes can be controlled in such a way that, on the one hand, the required alternating and surge current loads can be carried out without changing the response behavior and on the other hand, the short-circuit mechanism occurs even with long-lasting low AC load. To achieve this object, it is proposed in a surge arrester of the type mentioned at the outset according to the invention that the metal plate is designed as a compact disk, on the active surface of which a layer of a mass of high thermal electron emission capability is applied and anchored in depressions in the surface.

Vorzugsweise werden dabei komplette Metallelektroden verwendet, die aus einem Material bestehen, dessen Ausdehnungskoeffizient dem Isolierkörpermaterial angepasst ist und bei denen das Metallplättchen durch eine Hinterdrehung der Elektrodenoberfläche hergestellt ist. Es ist weiterhin besonders wirtschaftlich, als Elektrodenmaterial Eisen zu verwenden und die Elektrode mit einer Ringscheibe zu verlöten, die aus einer Legierung oder einem Metall besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient wiederum dem Ausdehnungskoeffizient des rohrförmigen Isolierkörpers angepasst ist. Complete metal electrodes are preferably used which consist of a material whose coefficient of expansion is matched to the insulating body material and in which the metal plate is produced by turning the electrode surface backwards. It is also particularly economical to use iron as the electrode material and to solder the electrode to an annular disk which is made of an alloy or a metal, the coefficient of expansion of which in turn is matched to the coefficient of expansion of the tubular insulating body.

Der komplette Überspannungsabieiter besteht aus einem rohrförmigen Isolierkörper aus beispielsweise Glas oder Keramik, der zweckmässig über eine Glasverbindung oder eine Hartlötung mit den Elektroden verbunden ist. Bei kompakten Metallanschlüssen an den Aussenseiten der Elektroden sorgen diese Anschlüsse für eine gute Wärmeableitung der Verlustleistung und erhöhen die Belastbarkeit des Abieiters. Mit der Stärke der Hinterdrehung oder dem überstehenden Scheibenrand kann die Wärmeableitung so gesteuert werden, dass die geforderten Wechsel- und Stossstrombelastungen ohne Änderung des Ansprechverhaltens des Abieiters durchgeführt werden können und der Kurzschlussmechanismus aber auch bei langanhaltender niedriger Wechselstrombelastung eintritt. Die Kurzschlusskennlinie kann mit dem nötigen Sicherheitsabstand unterhalb der Zerstörungskennlinie angeordnet werden. Auf dem Isolierkörper des Überspannungsabieiters sind zur Reduzierung der Ansprechstossspan-nung vorzugsweise ein oder mehrere Streifen aus elektrisch leitfähigem Material, sogenannte Zündstreifen aufgetragen. Durch die Elektrodenkonstruktion mit über den Elektrodenrand herausragender Metallscheibe ist ein bedampfungsarmer Hinterraum gebildet, so dass auch nach Belastung des Über-spannungsableiters die benötigte gute Isolation der Elektroden voneinander erhalten bleibt. The complete surge arrester consists of a tubular insulating body made of glass or ceramic, for example, which is expediently connected to the electrodes via a glass connection or hard soldering. With compact metal connections on the outside of the electrodes, these connections ensure good heat dissipation of the power loss and increase the load capacity of the conductor. The heat dissipation can be controlled with the strength of the back-turning or the protruding disc edge so that the required alternating and surge current loads can be carried out without changing the response behavior of the surge arrester and the short-circuit mechanism also occurs with long-lasting, low alternating current loads. The short-circuit characteristic can be arranged below the destruction characteristic with the necessary safety distance. To reduce the response voltage, one or more strips of electrically conductive material, so-called ignition strips, are preferably applied to the insulating body of the surge arrester. The electrode construction with a metal disk protruding over the edge of the electrode creates a low-vaporization rear space, so that the required good insulation of the electrodes from one another is maintained even after the surge arrester has been loaded.

Anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Using the shown in the figures of the drawing

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

647 897 647 897

Ausführungsbeispiele soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden. In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt: The invention is to be explained in more detail below with exemplary embodiments. Corresponding parts in the figures are provided with the same reference symbols. It shows:

Fig. 1 einen erfindungsgemässen Überspannungsabieiter 5 im Schnitt, 1 shows an inventive surge arrester 5 in section,

Fig. 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Elektrode des Überspannungsabieiters im Schnitt und Fig. 2 shows a preferred embodiment of an electrode of the surge arrester in section and

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektrode im Schnitt. 10 Fig. 3 shows another embodiment of an electrode in section. 10th

Der in Fig. 1 dargestellte Überspannungsabieiter ist ein sogenannter Knopfabieiter und besteht im wesentlichen aus zwei abgestuft kegelstumpfförmigen Elektroden 6 und 7, die in die Enden eines rohrförmigen, in diesem Ausführungsbeispiel aus Keramik bestehenden Isolierkörpers 4 gasdicht ein- 15 gesetzt sind. Die gasdichte Verbindung des Isolierkörpers 4 mit den Elektroden 6, 7 erfolgt über eine Glasverbindung oder über eine Hartlotschicht. Die kompakten Metallanschlüsse 8 und 9, die mit den Elektrodenaussenwänden im verjüngten Elektrodenteil verlötet sind, sorgen für eine gute 20 Wärmeableitung der unter Umständen auftretenden Verlustleistung und erhöhen somit die Belastbarkeit des Gasentla-dungs-Überspannungsableiters. The surge arrester shown in FIG. 1 is a so-called button arrester and essentially consists of two stepped, truncated cone-shaped electrodes 6 and 7, which are inserted in a gas-tight manner into the ends of a tubular insulating body 4 made of ceramic in this exemplary embodiment. The gas-tight connection of the insulating body 4 with the electrodes 6, 7 takes place via a glass connection or a hard solder layer. The compact metal connections 8 and 9, which are soldered to the outer electrode walls in the tapered electrode part, ensure good heat dissipation of the power loss that may occur and thus increase the load capacity of the gas discharge surge arrester.

Die Abstufung in den Elektroden 6, 7 dient zur mechanischen Führung der z.B. aus Eisen bestehenden Metallan- 25 schlüsse 8 und 9. Als Metallanschlüsse können jedoch auch verkupferte Eisenstifte verwendet werden. Die Elektroden 6, 7 sind auf ihren einander zugewandten Oberflächen jeweils mit einer massiven Metallscheibe 1 versehen, die einen grösseren Durchmesser als die mit den Elektroden 6, 7 verbun- 30 dene Fläche hat, so dass im Ableiterinnenraum ein bedamp-fungsarmer Hinterraum 10 gebildet ist. Dieser bedampfungs-arme Hinterraum 10 ist vor allem dann von besonderer Bedeutung, wenn zur Reduzierung der Ansprechstossspan-nung des Überspannungsabieiters ein oder mehrere Streifen 35 aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus Graphit, sogenannte Zündstreifen 5 auf die Innenwand des Isolierkörpers 4 aufgebracht sind. Damit ist auch bei einer möglicherweise auftretenden Verspratzung von den Metallscheiben 1 ein ausreichender Schutz des Hinterraums 10 des Ablei-40 ters gewährleistet, so dass bei einem Überspannungsabieiter mit Zündstrich 5 stets eine ausreichende Restisolationsstrecke zwischen den Elektroden 6 und 7 bleibt. Die beiden Metallscheiben 1, die in diesem Ausführungsbeispiel in zusammengeschmolzenem Zustand dargestellt sind, weisen auf ihren aktiven Oberflächen eine Waffelung 3 auf, in der eine Schicht 2 hoher thermischer Elektronenemissionsfähigkeit verankert ist. Die Schicht 2 besteht beispielsweise aus einer Mischung aus Alkalihalogenid, Titanhydrid und Bariumaluminiumle-gierungspulver. Die Schicht 2 dient insbesondere zur Reduzierung der Ansprechspannung des Überspannungsabieiters. Überspannungsabieiter mit derartigen an sich bekannten Aktivierungsschichten zeichnen sich auch durch einen niedrigen Lichtbogenübergang aus, so dass bei stromstarken Entladungen die Verlustenergie im Gasentladungsüberspannungs-ableiter klein bleibt. The gradation in the electrodes 6, 7 serves to mechanically guide the e.g. Metal connections 8 and 9 made of iron. However, copper-plated iron pins can also be used as metal connections. The electrodes 6, 7 are each provided on their mutually facing surfaces with a solid metal disc 1, which has a larger diameter than the surface connected to the electrodes 6, 7, so that a low-vaporization rear space 10 is formed in the conductor interior . This low-vaporization rear space 10 is particularly important if, in order to reduce the response voltage of the surge arrester, one or more strips 35 made of electrically conductive material, for example made of graphite, so-called ignition strips 5 are applied to the inner wall of the insulating body 4. This also ensures adequate protection of the rear space 10 of the conductor 40 in the event of a possible splitting of the metal disks 1, so that a sufficient residual insulation gap between the electrodes 6 and 7 always remains in the case of a surge arrester with a dash 5. The two metal disks 1, which are shown in the melted state in this exemplary embodiment, have a waffle 3 on their active surfaces, in which a layer 2 of high thermal electron emission capability is anchored. Layer 2 consists, for example, of a mixture of alkali halide, titanium hydride and barium aluminum alloy powder. Layer 2 is used in particular to reduce the response voltage of the surge arrester. Surge arresters with such activation layers known per se are also distinguished by a low arcing transition, so that the energy loss in the gas discharge surge arrester remains small in the case of high-current discharges.

Die in Fig. 2 dargestellte Elektrode hat den wesentlichen Vorteil, dass sie aus einem einzigen Metallstück durch Drehen herstellbar ist. Die massive Metallscheibe 1, beispielsweise der Elektrode 6 mit Anschlussbolzen 8, ist dabei durch eine Hinterdrehung der aktiven Elektrodenoberfläche hergestellt. Selbst die Waffelung 3, in der die Elektrodenaktivierungsschicht 2 verankert ist, lässt sich gleichzeitig beim Dreh-prozess in Form von konzentrischen Rillen in das Metallstück einbringen. Als Material für das Metallstück muss ein solches gewählt werden, das einen an das Material des Isolierkörpers angepassten Ausdehnungskoeffizienten hat. Geeignet ist beispielsweise eine Kobalt-Eisen-Nickellegierung. The electrode shown in FIG. 2 has the essential advantage that it can be produced from a single piece of metal by turning. The solid metal disc 1, for example the electrode 6 with connection bolts 8, is produced by turning the active electrode surface behind. Even the waffle 3, in which the electrode activation layer 2 is anchored, can simultaneously be introduced into the metal piece in the form of concentric grooves during the turning process. The material for the metal piece must be one that has an expansion coefficient that is adapted to the material of the insulating body. A cobalt-iron-nickel alloy, for example, is suitable.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Elektrode besteht wiederum der Anschlussbolzen 8 und die massive Metallscheibe 1 aus einem Metallstück. Die Metallscheibe ist durch eine Hinterdrehung der aktiven Elektrodenoberfläche hergestellt. Auch die Waffelung 3,in der die Aktivierungsschicht 2 verankert ist, lässt sich beim Drehen gleichzeitig herstellen. Der Unterschied zu der in Fig. 2 dargestellten Elektrode besteht darin, dass das Elektrodenteil 6 in Form einer Ringscheibe ausgebildet als Einzelteil mit dem Anschlussbolzen 8 verlötet ist. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass als Elektrodenmaterial beispielsweise billiges Eisen verwendet werden kann, während nur für das Elektrodenteil 6 (Ringscheibe) eine relativ teure Metallegierung mit an das Isoliermaterial angepass-tem Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden ist. In the case of the electrode shown in FIG. 3, the connecting bolt 8 and the solid metal disk 1 again consist of a piece of metal. The metal disk is produced by turning the active electrode surface behind. The waffle 3, in which the activation layer 2 is anchored, can also be produced during the turning. The difference from the electrode shown in FIG. 2 is that the electrode part 6, in the form of an annular disk, is soldered to the connecting bolt 8 as a single part. This exemplary embodiment has the advantage that, for example, inexpensive iron can be used as the electrode material, while only a relatively expensive metal alloy with expansion coefficients matched to the insulating material is to be used for the electrode part 6 (ring disk).

Die Erfindung ist auf die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Insbesondere ist die Erfindung auch bei anderen Formen von Überspannungsableitern als bei sogenannten Knopfableitern, beispielsweise auch bei Zwei-streckenableitern ausführbar. The invention is not restricted to the exemplary embodiments shown. In particular, the invention can also be carried out with other types of surge arresters than with so-called button arresters, for example also with two-way arresters.

o O

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

647 897

PATENT CLAIMS

1. Surge arrester with a gas-filled housing, in which electrodes are spaced apart in a tubular insulating body, at least one of which is provided on its surface facing the other electrode with a metal plate which, when the surge arrester is overloaded, establishes a galvanic connection with the opposite electrode and which has a larger diameter than its surface connected to the electrode, characterized in that the metal plate (1) is designed as a compact disk, on the active surface of which a layer (2) made of a mass of high thermal electron emission capability is applied and in depressions (3) is anchored in the surface.

2. Surge arrester according to claim I, characterized in that the tubular insulating body (4) is provided with at least one strip of electrically conductive material as the ignition strip (5), which extends at least over part of the inner wall of the insulating body (4).

3. Surge arrester according to claim 1 or 2, characterized in that the electrodes (6,7) are solid cylindrical and the metal plate (1) is formed on the surface by a backward rotation of the electrodes (6, 7).

4. Surge arrester according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electrodes (6, 7) are each soldered to a metallic annular disk which, for connection to the insulating body (4), has an expansion coefficient adapted to its material.

5. Surge arrester according to claim 1 or 2, characterized in that the electrodes (6, 7) are frustoconical and the metal connections

8,9) enclose, lead and are connected to the latter by brazing.