CH652246A5

CH652246A5 - SURGE ARRESTERS.

Info

Publication number: CH652246A5
Application number: CH756180A
Authority: CH
Inventors: Walter Alex Bosshard
Original assignee: Cerberus Ag
Priority date: 1980-10-10
Filing date: 1980-10-10
Publication date: 1985-10-31
Also published as: DE3106763C2; DE3106763A1; FR2492178B1; FR2492178A1; GB2085222A; GB2085222B

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsabieiter mit einem gasdichten Isolierstoffgehäuse, in dem einander mit Abstand gegenüberstehend Elektroden angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Elektroden eine Barium und Titan enthaltende Substanz hoher Elektronenemissionsfähigkeit trägt. The invention relates to a surge arrester with a gas-tight insulating material housing, in which electrodes are arranged at a distance from one another, at least one of the electrodes carrying a barium and titanium-containing substance with high electron emission capability.

Bei Überspannungsableitern dieser Art dient die Substanz mit hoher Elektronenemissionsfähigkeit zur Herabsetzung der Zündspannung auf einen gewünschten stabilen, niedrigen Wert, z.B. bei Verwendung in Niederspannungssystemen, wie speziell in Telefonanlagen. Zu diesem Zweck sind beispielsweise Substanzen geeignet, die Erdalkali- oder Alkalimetalle enthalten. Als besonders geeignet hat sich Barium erwiesen. Die Verwendung reinen elementaren Bariums stösst jedoch auf erhebliche Schwierigkeiten. In surge arresters of this type, the substance with high electron emission capability serves to reduce the ignition voltage to a desired stable, low value, e.g. when used in low-voltage systems, such as especially in telephone systems. For this purpose, substances are suitable, for example, which contain alkaline earth or alkali metals. Barium has proven to be particularly suitable. The use of pure elementary barium, however, encounters considerable difficulties.

Aus der De-OS 19 50 090 ist ein Überspannungsabieiter mit einer Aktivierungsschicht aus einer Barium-Aluminium-Legierung auf den Elektroden bekannt. Nachteilig ist dabei, dass diese Schicht im Betrieb, insbesondere bei starker elektrischer Beanspruchung, leicht zerstäubt und an der Innenwand des Isolierstoffgehäuses eine Schicht bildet, die die Isolation im Laufe der Zeit verschlechtert. A surge arrester with an activation layer made of a barium-aluminum alloy on the electrodes is known from DE-OS 19 50 090. The disadvantage here is that this layer is slightly atomized during operation, in particular in the case of heavy electrical stress, and forms a layer on the inner wall of the insulating material housing which deteriorates the insulation over time.

Zur Verbesserung der Eigenschaften solcher Überspannungsabieiter ist es beispielsweise aus den DE-OS 25 37 964 und DE-OS 26 19 866 bekannt geworden, der Barium-Alumi-nium-Legierung Kaliumbromid oder Titanhydrid bzw. metallisches Titan beizumischen. Nachteilig ist hierbei, dass die Mischung der einzelnen Bestandteile als Paste mit einem Bindemittel auf die Elektroden aufgebracht werden muss, und das Bindemittel durch ein spezielles Fabrikationsverfahren zersetzt und entfernt werden muss. Die Herstellung solcher Überspannungsabieiter ist daher kompliziert und aufwendig, und daher kaum für eine kostengünstige Massenfabrikation geeignet. To improve the properties of such surge arresters, it has become known, for example from DE-OS 25 37 964 and DE-OS 26 19 866, to add potassium bromide or titanium hydride or metallic titanium to the barium-aluminum alloy. The disadvantage here is that the mixture of the individual components must be applied to the electrodes as a paste with a binder, and the binder must be decomposed and removed by a special manufacturing process. The production of such surge arresters is therefore complicated and expensive, and is therefore hardly suitable for inexpensive mass production.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Über-spannungsableiter mit niedriger Ansprechspannung zu schaffen, der eine verbesserte Langzeitstabilität und eine hohe Lebensdauer ohne Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften während des Betriebes und bei starker elektrischer Beanspruchung aufweist, sowie ein Verfahren zur kostengünstigen Massenherstellung solcher Überspannungsabieiter anzugeben. The invention has for its object to provide a surge arrester with a low response voltage, which has improved long-term stability and a long service life without deterioration of the electrical properties during operation and with heavy electrical stress, and to provide a method for the inexpensive mass production of such surge arresters.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Substanz mit hoher Elektronenemissionsfähigkeit elementares Barium und Titanoxid als Bestandteile aufweist. Erfindungsgemäss lässt sich ein solcher Überspannungsablei-ter herstellen, indem vor der Zusammenfügung der Elektroden mit dem Isolierstoffgehäuse ein Gemisch aus Titanpulver und Bariumtitanat in Pulverform auf die Oberfläche wenigstens einer der Elektroden aufgepresst wird. According to the invention, this object is achieved in that the substance with high electron emission capability has elemental barium and titanium oxide as components. According to the invention, such a surge arrester can be produced by pressing a mixture of titanium powder and barium titanate in powder form onto the surface of at least one of the electrodes before the electrodes are joined to the insulating material housing.

Die Erfindung wird anhand zweier in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. The invention is described with reference to two exemplary embodiments shown in FIGS. 1 and 2.

In Figur 1 ist ein Überspannungsabieiter mit einem zylindrischen Isolierstoffgehäuse 1, beispielsweise aus einem Alu-minium-Keramik-Rohr, dargestellt. In die beiden offenen Enden dieses Rohres 1 sind zwei Elektroden 2 und 3, z.B. aus einer Fe-Ni- oder Fe-Ni-Co-Einschmelzlegierung gasdicht eingeschmolzen, so dass die Mittelteile dieser Elektroden 2 und 3 sich mit Abstand gegenüberstehen. FIG. 1 shows a surge arrester with a cylindrical insulating material housing 1, for example made of an aluminum-ceramic tube. In the two open ends of this tube 1 there are two electrodes 2 and 3, e.g. made of a Fe-Ni or Fe-Ni-Co melt-down alloy, sealed so that it is gas-tight, so that the middle parts of these electrodes 2 and 3 face each other at a distance.

Der Durchmesser des Isolierstoffgehäuses kann bei Überspannungsableitern, wie sie in der Nachrichtentechnik, speziell in Telefonanlagen Verwendung finden, beispielsweise bei 5 bis 8 mm liegen, dabei ist es zweckmässig, ein Keramikrohr mit einer Wandstärke von 1-1,5 mm und Elektroden mit einer Dicke von 0,5-1,0 mm zu verwenden. In the case of surge arresters, such as those used in telecommunications, especially in telephone systems, the diameter of the insulating material housing can be, for example, 5 to 8 mm. It is advisable to use a ceramic tube with a wall thickness of 1-1.5 mm and electrodes with a thickness from 0.5-1.0 mm to use.

Die beiden Elektroden 2 und 3 tragen auf ihren mit Abstand gegenüberstehenden Stirnseiten je eine Schicht 4 und 5 mit hoher Elektronenemissionsfähigkeit., Diese Substanzen sind zweckmässigerweise in Vertiefungen 6 und 7 der Elektrodenstirnflächen angebracht. Zur Erzielung einer besseren Haftfähigkeit können die Mittelflächen der Elektrodenstirnflächen 8 und 9 jeweils mit einem Waffelmuster versehen sein. Die Substanzen 4 und 5 enthalten gleichzeitig elementares Barium und Titanoxid (TiOz). The two electrodes 2 and 3 each have a layer 4 and 5 with a high electron emission capacity on their mutually opposite end faces. These substances are expediently applied in depressions 6 and 7 of the electrode end faces. To achieve better adhesion, the middle surfaces of the electrode faces 8 and 9 can each be provided with a waffle pattern. Substances 4 and 5 contain elemental barium and titanium oxide (TiOz) at the same time.

Der gasdichte Innenraum 10 des Überspannungsabieiters ist mit einem geeigneten inerten Füllgas gefüllt, z.B. mit Argon, gegebenenfalls mit einem Wasserstoffzusatz. Zur Vermeidung unerwünschter Zündverzögerungen kann in bekannter Weise ein geringer Anteil von Tritium beigemischt sein. Ausserdem können bekannte Zündhilfen in Form von Zündstrichen usw. vorgesehen sein. The gas-tight interior 10 of the surge arrester is filled with a suitable inert filling gas, e.g. with argon, optionally with an addition of hydrogen. In order to avoid undesired ignition delays, a small proportion of tritium can be added in a known manner. In addition, known ignition aids in the form of ignition lines etc. can be provided.

Figur 2 zeigt ein Beispiel eines Überspannungsabieiters, der sich von dem nach Figur 1 durch die Anbringung der Schicht mit hoher Emissionsfähigkeit auf den Elektroden unterscheidet. Zum Unterschied von Figur 1 besitzen die Elektroden von Figur 2 Flächenmittelstücke 10 und 11, auf die die Schicht 12 mit hoher Emissionsfähigkeit so aufgetragen ist, dass deren Ränder 13 über die Kanten der Elektrodenmittelstücke hinausreichen. FIG. 2 shows an example of a surge arrester which differs from that according to FIG. 1 by the application of the layer with high emissivity on the electrodes. In contrast to FIG. 1, the electrodes of FIG. 2 have surface center pieces 10 and 11, to which the layer 12 with high emissivity is applied in such a way that their edges 13 extend beyond the edges of the electrode center pieces.

Ein Überspannungsabieiter dieser Art lässt sich beispielsweise wie folgt herstellen: A surge arrester of this type can be manufactured, for example, as follows:

Auf die Elektroden 2 und 3 wird vor ihrer Verschmelzung mit dem Isolierstoffgehäuse 1 in deren zentrale Vertiefungen 6 und 7 ein Gemisch aus Titanpulver und Bariumtitanat (BaTiOä) ohne Bindemittel eingepresst. Vorteilhafterweise liegt dabei der Titangehalt zwischen 98 und 60 Gew.-% und A mixture of titanium powder and barium titanate (BaTiOä) without a binder is pressed onto the electrodes 2 and 3 before they fuse with the insulating material housing 1 in their central recesses 6 and 7. The titanium content is advantageously between 98 and 60% by weight

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

652 246 652 246

der BaTiCh-Gehalt zwischen 2 und 40 Gew.-%. Bei einer zweckmässigen Weiterbildung der Erfindung können dem Pulvergemisch noch Anteile von Kalziumtitanat (CaTiCb) oder Magnesiumtitanat (MgTiCb) zugegeben werden. Auf diese Weise kann die Glimmbrennspannung des Überspannungsabieiters variiert werden. Durch die waffelartige Ausbildung der Oberflächen 8 und 9 wird dabei eine hinreichende Haftfähigkeit gewährleistet. Die so vorbehandelten Elektroden werden mit dem Isolierstoffgehäuse in bekannter Weise, wie z.B. im Schweizerpatent Nr. 378 765 beschrieben, gegebenenfalls vermittels geeigneter Zwischenschichten gasdicht verschmolzen. Dies erfolgt durch Zusammenfügen der gegebenenfalls mit geeigneten Zwischenschichten versehenen Teile und Erhitzung im Vakuum auf beispielsweise 450 °C und anschliessender Erhitzung auf etwa 950 °C in einer inerten, der gewünschten Gasfüllung entsprechenden Atmo-sphäre.Während dieser Temperaturbehandlung zersetzt sich das Barium-Titanat, und es bildet sich eine feste Substanz, die als Bestandteile Barium und Titanoxid (TiOi), und metallisches Titan enthält. Es ist zu vermuten, dass neben dem elementar vorliegenden Barium auch Titan-Gitterfehlstellen vorhanden sind, die eine überraschend hohe Elektronenemissionsfähigkeit bewirken. the BaTiCh content between 2 and 40 wt .-%. In an expedient development of the invention, portions of calcium titanate (CaTiCb) or magnesium titanate (MgTiCb) can also be added to the powder mixture. In this way, the glow voltage of the surge arrester can be varied. The waffle-like design of the surfaces 8 and 9 ensures sufficient adhesion. The electrodes pretreated in this way are connected to the insulating material housing in a known manner, e.g. described in Swiss Patent No. 378 765, optionally fused gas-tight using suitable intermediate layers. This is done by joining the parts which may be provided with suitable intermediate layers and heating in vacuo to, for example, 450 ° C. and then heating to approximately 950 ° C. in an inert atmosphere corresponding to the desired gas filling. During this temperature treatment, the barium titanate decomposes, and it forms a solid substance containing barium and titanium oxide (TiOi) and metallic titanium as constituents. It can be assumed that in addition to the elementary barium, there are also titanium lattice vacancies, which cause a surprisingly high electron emission capability.

Überraschenderweise zeigten derartige Überspannungsabieiter mit einer solchen Aktivierungssubstanz auf den Elektroden erhebliche Vorteile gegenüber vorbekannten Überspan-nungsableitern mit anderen Barium-Legierungen oder Bariumoxid als Aktivierungssubstanz, speziell mit Barium-Alumi-nium-Legierungen. Es zeigte sich, dass die Zerstäubung der Aktivierungssubstanz während des Betriebes, insbesondere bei starker elektrischer Beanspruchung bei Verwendung einer Aktivierungssubstanz mit elementarem Barium und Titanoxid als gleichzeitigen Bestandteilen geringer war als bei Verwendung anderer vorbekannter bariumhaltiger Aktivierungsschichten. Solche Überspannungsabieiter zeigten daher auch bei längeren Betriebszeiten eine erheblich bessere Aufrechterhaltung der Isolation auf der Innenwand des Gehäuses und daher eine erheblich verbesserte Langzeitstabilität, was nach Surprisingly, such surge arresters with such an activation substance on the electrodes showed considerable advantages over previously known surge arresters with other barium alloys or barium oxide as an activation substance, especially with barium-aluminum alloys. It was found that the atomization of the activation substance during operation, in particular in the case of strong electrical stress, was less when using an activation substance with elemental barium and titanium oxide as simultaneous components than when using other known activation layers containing barium. Such surge arresters therefore showed a considerably better maintenance of the insulation on the inner wall of the housing and therefore a significantly improved long-term stability, even after longer operating times

Kenntnis der chemischen Eigenschaften so hergestellter Mischungen für den Fachmann nicht zu erwarten war. Knowledge of the chemical properties of mixtures produced in this way was not to be expected for the person skilled in the art.

Ausserdem ist die Herstellung der beschriebenen Über-spannungsableitern erheblich vereinfacht, da die Aktivie-5 rungssubstanz ohne Bindemittel aufgebracht werden kann und die Pump- und Gasfüllvorgänge daher erheblich vereinfacht sind. Ausserdem treten keine störenden Rückstände des Bindemittels auf. Zudem lässt sich die Formierung der Aktivierungssubstanz gleichzeitig bei der Verschmelzung der Elektroden mit dem Keramikkörper durch eine einzige Temperaturbehandlung durchführen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist daher besonders für eine saubere und kostengünstige Massenherstellung geeignet. In addition, the manufacture of the surge arresters described is considerably simplified since the activating substance can be applied without a binder and the pumping and gas filling processes are therefore considerably simplified. In addition, there are no disturbing residues of the binder. In addition, the activation substance can be formed at the same time as the electrodes fuse with the ceramic body by means of a single temperature treatment. The method according to the invention is therefore particularly suitable for clean and inexpensive mass production.

Es sei bemerkt, dass sich der Erfindungsgedanke auch bei 15 Überspannungsableitern anderer Form anwenden lässt, insbesondere können mehr als zwei Elektroden vorhanden sein, wie bei sogenannten Zweistrecken-Überspannungsableitern erforderlich. Statt eines Keramikgehäuses kann ein anderes Isolierstoffgehäuse Verwendung finden, z.B. ein Glaskörper. 20 Weiter kann eine andere bekannte Einschmelztechnik Verwendung finden. Das Pulvergemisch kann auch, wie aus der DE-OS 24 45 063 bekannt, mit radioaktivem Nickel 63 dotiert sein, so dass in diesem Fall auf eine Beimengung von Tritium zum Füllgas verzichtet werden kann. It should be noted that the concept of the invention can also be applied to 15 surge arresters of a different shape; in particular, more than two electrodes can be present, as is required in the case of so-called double-span surge arresters. Instead of a ceramic housing, another insulating material housing can be used, e.g. a vitreous. Another known melting technique can also be used. As known from DE-OS 24 45 063, the powder mixture can also be doped with radioactive nickel 63, so that in this case it is not necessary to add tritium to the filling gas.

25 Obwohl es im allgemeinen zweckmässig ist, insbesondere bei Wechselspannungs-Überspannungsableitern, beide Elektroden mit einer Aktivierungsschicht zu versehen, kann es bei der Verwendung in Gleichspannungsanlagen ausreichen, nur die als Kathode dienende Elektrode mit einer entsprechen-30 den, die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzenden Schicht. oder Substanz zu versehen. 25 Although it is generally expedient to provide both electrodes with an activation layer, in particular in the case of AC surge arresters, when used in DC voltage systems it may be sufficient to use only the electrode serving as cathode with a corresponding layer which reduces the electron work function. or to provide substance.

Der beschriebene, auf die angegebene Weise hergestellte Überspannungsabieiter eignet sich besonders zum Überspannungsschutz von Niederspannungs-Geräten und -Systemen, 35 wie z.B. Telefonanlagen, wo eine stabile niedrige Zündspannung erforderlich ist, die über längere Betriebszeiten, auch bei starker elektrischer Beanspruchung aufrechterhalten bleibt. The described surge arrester manufactured in the specified manner is particularly suitable for surge protection of low-voltage devices and systems, 35 such as e.g. Telephone systems, where a stable low ignition voltage is required, which is maintained over longer operating times, even with heavy electrical stress.

10 10th

G G

l Blatt Zeichnungen l sheet of drawings

Claims

652 246

1. Surge arrester with a gas-tight insulating material housing (1), in which electrodes (2, 3) are arranged at a distance from one another, at least one electrode carrying a barium and titanium-containing substance (4, 5) with high electron emission capability, characterized in that the substance (4, 5) with high electron emissivity has elemental barium and titanium oxide as components.

2. Surge arrester according to claim 1, characterized in that the substance (4, 5) has as an additional component a calcium and / or magnesium compound.

2nd

PATENT CLAIMS

3. surge arrester according to claim 1 or 2,

characterized in that the substance (4, 5) is doped with radioactive nickel 63.

4. A method for producing a surge arrester according to one of claims 1 to 3, characterized by the method step that at least a mixture of a titanium powder and barium titanate on the surface before joining the electrodes (2, 3) with the insulating material housing (1) one of the electrodes (2, 3) is pressed on.

5. The method according to claim 4, characterized in that the mixture contains between 2 and 40 wt .-% barium titanate and between 98 and 60 wt .-% titanium powder.

6. The method according to claim 4, characterized in that calcium titanate and / or magnesium titanate are additionally added to the mixture.

7. The method according to claim 4, characterized in that radioactive nickel 63 is additionally added to the mixture.

8. The method according to any one of claims 4 to 7, characterized in that the pressed mixture when the electrodes (2, 3) are melted together with the housing (1) is heated to a temperature above the decomposition temperature of the barium titanate.