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Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit niedriger Ansprechspannung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Im Inneren des Überspannungsableiter kommt es bei Überschreiten einer bestimmten Grenzspannung, der Zündspannung, zu einem Lichtbogenüberschlag zwischen zwei bzw. drei Elektroden. Die Grenzspannung wird bei statischer oder stationärer Beanspruchung mit einem Anstieg der Spannung von 100 V/s als Ansprechgleichspannung Uag und bei dynamischer Belastung mit einem Anstieg der Spannung von 1 kV/μs als Ansprechstoßspannung uas bezeichnet. Der Lichtbogen wird durch den speisenden Strom aufrecht erhalten, solange die elektrischen Bedingungen für den Lichtbogen gegeben sind.
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Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Überspannungsableiter anzugeben, der eine niedrige Ansprechspannung aufweist, sowie ein Herstellverfahren dafür.
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Diese Aufgabe wird durch einen Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Des weiteren wird die Aufgabe gemäß eines Verfahrens nach Anspruch 12 gelöst.
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Der Überspannungsableiter weist einen Hohlraum auf, der durch wenigstens einen Isolierkörper gebildet ist. In den Hohlraum erstrecken sich von den Seiten zwei Elektroden, die mit ihren freien Enden zueinander orientiert sind und voneinander einen Abstand, den Elektrodenabstand, haben. Insbesondere haben die Elektroden dieselbe Längsachse. In Bereichen der freien Enden enthalten die Elektroden mehrere unterschiedliche metallische Materialien. In einer Ausführung ist jeweils ein metallisches Material in ein anderes metallisches Material eingebettet. Bevorzugt erfolgt die Einbettung in einen oder mehrere Elektrodenhohlräume. Insbesondere sind zwei oder drei metallische Materialien in den freien Endbereichen derart angeordnet, dass sie jeweils eine Oberfläche haben, die zur jeweils anderen Elektrode hin offen ist.
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Der Isolierkörper besteht aus einem Stück oder, insbesondere dann, wenn eine Mittelelektrode im Bereich des Elektrodenabstands vorgesehen ist, aus zwei Stücken. Besonders vorteilhaft ist der wenigstens eine Isolierkörper aus Keramik geformt. Vorzugsweise ist der wenigstens eine Isolierkörper rohrförmig und insbesondere zylindrisch geformt. Die Elektroden sind vorzugsweise stabförmig ausgebildet.
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Die Elektroden des Überspannungsableiters sind an ihren jeweils nicht freien Enden mit jeweils einem Ende des wenigstens einen Isolierkörpers zu dem Überspannungsableiter verbunden. Dazu weisen die nicht freien Enden der Elektroden einen Flansch auf, der mit dem wenigstens einen Isolierkörper vorzugsweise gasdicht verbunden ist. Als Gas in dem Überspannungsableiter kommt bevorzugt Neon mit einer Beimischung von Argon zum Einsatz. An den vom Isolierkörper abgewandten Seiten weist jeder Flansch einen Anschluss, insbesondere mit Schraubgewinde, auf, mit dem der Überspannungsableiter bzw. dessen Elektroden elektrisch kontaktiert werden können.
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Der Überspannungsableiter ist für folgende Eigenschaften bzw. Aufgaben eingerichtet. Die Ansprechgleichspannung liegt zwischen 55 Volt und 70 Volt, und die Ansprechstoßspannung ist geringer als 700 Volt. Die Impulsbelastbarkeit bei einer Strombelastung beträgt 100 kA (Kiloampere) bei einer Normstoßwellenform 8 μs/20 μs, d. h. bei einer Anstiegszeit von 8 μs und einer Rückenhalbwertszeit von 20 μs. Bei einer Stoßwellenform 10 μs/350 μs, d. h. einer Anstiegszeit von 10 μs und einer Rückenhalbwertszeit von 350 μs, beträgt die Impulsbelastbarkeit 50 kA. Weiterhin ermöglicht der Überspannungsableiter ein sicheres Ansprechen im Fehlerfall (failsafe) entsprechend einer Stromstärke-Zeit-Charakteristik. Durch den failsafe innerhalb des Überspannungsableiters ist dieser für den Einsatz in einer explosionsgefährdeten Umgebung geeignet, da außerhalb des Überspannungsableiters auch bei einem Überschlag zwischen den inneren Elektroden keine Funkenbildung auftritt.
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Der Überspannungsableiter ermöglicht erstmalig die Erfüllung der vorgenannten extremen Aufgaben. Dadurch ist es möglich, den Überspannungsableiter als ein einzelnes Bauelement in Bereichen einzusetzen, in denen bisher aufwändigere Schutzmaßnahmen getroffen werden mussten oder in denen ein derartiger Schutz nicht möglich war.
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Bei dem Überspannungsableiter enthält jede der Elektroden ein erstes metallisches Material und ein zweites metallisches Material in einem sich von dem freien Ende in die Elektrode erstreckenden Elektrodenhohlraum des ersten metallischen Materials. Dadurch wird es möglich, die beiden metallischen Materialien auf die vorgegeben Ansprechspannungen und die Stromimpulsbelastung hin auszuwählen und einzurichten.
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Im Hinblick auf die failsafe-Eigenschaften des Überspannungsableiters weisen die beiden metallischen Materialien bevorzugt unterschiedliche Schmelzpunkte auf. Dies gewährleistet je nach Lage de Fußpunktes einer elektrischen Entladung, dass die Strom-Zeit-Charakteristik des inneren failsafe zwischen den Elektroden eingehalten wird. Das zweite metallische Material schmilzt bei geringerer Dauerbelastung eher als das weiter außen angeordnete erste metallische Material. Bei höheren Strömen wandert der Fußpunkt der Dauerentladung hin zu dem ersten metallischen Material und schmilzt dieses auf.
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Die Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten ermöglichen bei unterschiedlichen Stromstärken und ausreichend hohen Temperaturen einen inneren Kurzschluss durch ein Schmelzen und nachfolgendes Verschweißen der Elektroden. Bevorzugt überbrücken die aufgeschmolzenen Materialien beider Elektroden den in der Ausgangsposition gegebenen Elektrodenabstand des Überspannungsableiters und verschweißen zu einem metallischen Kurzschluss beider Elektroden.
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In vorteilhafter Weise haben die Elektroden dieselbe Längsachse und die Schmelzpunkte der unterschiedlichen metallischen Materialien nehmen von der Längsachse in radialer Richtung zu.
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Der Überspannungsableiter ist bevorzugt derart eingerichtet, dass im Fall seines Ansprechens eine Entladung an zwei gegenüberliegenden Bereichen des zweiten metallischen Materials der Elektroden startet. Bei Fortschreiten der Entladung umfasst diese auch das erste metallische Material, das bevorzugt im Hinblick auf eine höhere Stromtragfähigkeit ausgelegt ist als das erste metallische Material.
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Vorteilhaft ist der Elektrodenhohlraum einer Elektrode des Überspannungsableiters so geformt, dass das zweite metallische Material niederohmig und mechanisch fest mit dem ersten metallischen Material verbunden ist. Dies ermöglicht es, die elektrischen Eigenschaften der Elektroden und die Parameter des Überspannungsableiters zu optimieren.
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Besondere vorteilhaft ist es, wenn der Elektrodenhohlraum des Überspannungsableiter eine Hinterschneidung aufweist, in die das zweite metallische Material eingreift. Dies ermöglicht eine sehr feste mechanische bzw. eine kraftschlüssige Verbindung der beiden metallischen Materialien, die auch hohen Stromkräften standhält, und einen niedrigen Widerstand an dem Übergang der beiden metallischen Materialien.
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Ein besonders niedriger Widerstand der Elektroden des Überspannungsableiters ergibt sich, wenn das zweite metallische Material auf Basis einer Kupferpaste bzw. insbesondere auf Basis einer sinterfähigen Kupferpaste hergestellt ist. Dies ermöglicht eine kostengünstige und sichere Herstellung der Elektroden des Überspannungsableiters. Besonders bevorzugt ist die Kupferpaste flussmittelfrei.
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In vorteilhafter Weise ist das zweite metallische Material in dem Elektrodenhohlraum gesintert. Dies ermöglicht eine sehr gute elektrische und mechanische Verbindung der beiden metallischen Materialien.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung weist das erste metallische Material der Elektroden eine Eisen-Nickel-Legierung auf. Diese zeichnet sich durch eine große Stromtragfähigkeit aus.
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Besonders vorteilhafte Bedingungen für eine Zündung des Überspannungsableiters werden erreicht, indem das freie Ende einer bzw. jeder Elektrode eine Aktivierungsmasse enthält. Dadurch werden vorteilhaft günstige Startbedingungen für das Ansprechen bzw. Zünden des Überspannungsableiters möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Oberflächen des freien Endes einer bzw. jeder der Elektroden eine Waffelung aufweisen, in der die Aktivierungsmasse angeordnet ist. Bei eine großflächigen Auftrag der Aktivierungsmasse auf das insbesondere Kupfer enthaltende zweite metallische Material startet eine Entladung regelmäßig besonders vorteilhaft und sicher im Bereich der Aktivierungsmasse und damit im Kupfer enthaltenden Teil der Elektroden.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Überspannungsableiters werden wenigstens zwei Elektroden bereit gestellt und mit den Enden wenigstens eines Isolierkörpers gasdicht verbunden, wobei die folgenden Schritte durchgeführt werden. Es wird ein Elektrodenhohlraum in dem freien Ende jeder Elektrode hergestellt, insbesondere durch Ausdrehen bzw. Hinterschneiden des ersten metallischen Materials der Elektrode oder durch Aufschweißen bzw. Löten eines Rings auf einen Elektrodengrundkörper. Dann wird eine metallische Paste in den so gebildeten Elektrodenhohlraum eingefüllt und die Oberfläche der metallischen Paste strukturiert. Dann wird in die Strukturen der Oberfläche der metallischen Paste eine Aktivierungsmasse eingebracht. Nach mindestens einem der Schritte, beginnend mit dem Einfüllen der metallischen Paste, wird die Elektrode gesintert. Anschließend wird die gesinterte Oberfläche der Elektrode geschliffen. Nach dem Herstellen zweier derartiger Elektroden, die zudem einen Flansch und einen äußeren Anschluss aufweisen, werden diese in den Hohlraum eingebracht und mit ihrem Flansch mit dem wenigstens einen Isolierkörper gasdicht so verbunden, dass der Elektrodenabstand im Hohlraum sehr gering, insbesondere geringer als 1 mm bzw. bevorzugt 0,5 mm ist.
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Bevorzugt wird in einen Elektrodenhohlraum einer Elektrode aus einer Eisen-Nickel-Legierung eine Kupferpaste eingebracht und gesintert. Nach dem Sinterprozess wird mittels eines Werkzeugs eine Waferstruktur, insbesondere eine Waffelung, in die gesinterte Kupferpaste gepresst. Nach dem Schleifen der Oberfläche der gesinterten Kupferpaste und einer erneuten Sinterung wird die Elektrodenaktivierungsmasse mit einer Tropfenbepastung in die Waffelstruktur eingebracht. Danach erfolgt ein abschließender Sinterprozess.
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Besonders vorteilhaft ist der Überspannungsableiter zylindrisch mit einem Außendurchmesser von etwa 25 mm und einer Gesamtlänge von 40 mm bzw. etwa 23 ohne Außenanschlüsse ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist jede Elektrode zusammengesetzt ausgeführt. Die Ausführungsform ermöglicht es, durch Verwendung unterschiedlicher Metalle bzw. Legierungen optimierte Ableiterbedingungen für den Innenraum zu schaffen und gleichzeitig sehr gute Löt- oder Schweißeigenschaften für die externen Anschlüsse der Elektroden zu bieten.
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Es erweist sich als vorteilhaft, für das erste metallische Material und den Flansch jeder Elektroden eine Eisen-Nickel-Legierung vorzusehen, insbesondere Fe58Ni42. Dadurch lassen sich optimale Eigenschaften im inneren Hohlraum und bei der Verschlusslötung des Überspannungsableiters erreichen.
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Zur Unterstützung des Aufbaus einer Entladung beim Ansprechen des Überspannungsableiters erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Hohlraum bzw. Innenraum an der Innenwand des Isolierkörpers mehrere Zündstriche enthält. Die Zündstriche erstrecken sich bis in den Entladungshinterraum beidseits des Elektrodenabstands.
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Der Überspannungsableiter wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
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Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
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Gleiche Elemente oder Elemente mit gleichen Funktionen sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt eine Skizze eines Überspannungsableiters im Teilquerschnitt,
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2 zeigt eine Elektrode eines Überspannungsableiters mit Flansch und Außenanschluss und
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3 zeigt eine schematische Darstellung der Strom-Zeit-Charakteristik eines Überspannungsableiters.
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In der 1 ist eine erste Ausführungsform eines Überspannungsableiters 1 im (Teil-)Querschnitt dargestellt. Der Überspannungsableiter hat zwei aus jeweils mehreren Teilen 2a, 2b, 2c und 3a, 3b, 3c zusammengesetzte bzw. verlötete oder verschweißte Elektroden. Der Flansch 2b, 3b jeder Elektrode schließt mittels einer Verschlusslötung 4 einen rohrförmigen Isolierkörper 5 mit einem Hohlraum 6 beidseitig ab. Der so gebildete Innenraum des Überspannungsableiters ist gasdicht verschlossen und enthält ein Gas aus ganz überwiegend Neon mit einer geringen Beimischung von Argon. Der Isolierkörper 5 ist aus keramischem Material. Der Außenanschluss 2c, 3c jeder Elektrode ist als Gewindebolzen bzw. Schraubkörper ausgebildet.
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Jede Elektrode 2, 3 weist eine Eisen-Nickel-Legierung auf. Jede innere Elektrode 2a, 3a ist stabförmig aus der Eisen-Nickel-Legierung als erstem metallischen Material hergestellt und enthält einen Elektrodenhohlraum 7 mit einer Hinterschneidung 7a. In dem Elektrodenhohlraum 7 ist als zweites metallisches Material eine gesinterte Kupferpaste 10 angeordnet, die mit Hilfe der Hinterschneidung 7a und eines zentralen Sacklochs 8 sowohl eine innige bzw. kraftschlüssige mechanische als auch eine gute elektrische Verbindung mit dem ersten metallischen Material eingeht. Die Hinterschneidung ist vorgesehen, damit die Kupferpaste bei einem Ansprechen des Überspannungsableiters und den damit verbundenen hohen Strömen und Kräften in der Elektrode bleibt nicht herausgezogen wird. Das Sackloch 8 unterstützt dies durch die vergrößerte Fläche zwischen dem ersten und dem zweiten metallischen Material.
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Der Abstand der Stirnseiten der Elektroden, d. h. der Elektrodenabstand A an ihren freien Enden, beträgt 0,5 mm. Der Isolierkörper 5 weist an seiner Innenwand mehrere über seinen Umfang verteilte und in Längsrichtung angeordnete Zündstriche 9 auf. Die Zündstriche sind mit keiner der Elektroden elektrisch verbunden.
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Gemäß 2 weist die Elektrode 2 bzw. 3 den gemäß 1 beschriebenen Aufbau auf. In dem Elektrodenhohlraum ist eine gesinterte Kupferpaste 10 angeordnet. Nach Einbringen einer flussmittelfreien Kupferpaste in den Elektrodenhohlraum wird die Kupferpaste mehrmals gesintert und an ihrer Oberfläche geschliffen. Die Kupferpaste 10 an dem freien Ende der Elektrode bildet eine Matrix für eine Aktivierungsmasse 11, die vorzugsweise großflächig in eine Waffelstruktur der Oberfläche eingebettet ist. Die Waffelung wird mittels eines Werkzeugs nach dem ersten Sintern der Kupferpaste aufgebracht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist die gesinterte Kupferpaste mit der Aktivierungsmasse bepastet. Die Aktivierungsmasse enthält Silikate und Halogenide. Enthaltene Materialien sind insbesondere Nickel, Titan, Bariumaluminat, Bariumtitanat, Natrium-, Kalium- und Cäsiumsilikat sowie Cäsiumwolframat.
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Der Überspannungsableiter gemäß den Figuren weist folgende Leistungsmerkmale auf: Ansprechgleichspannung Uag zwischen 55 Volt und 70 Volt, Ansprechstoßspannung uas kleiner 700 Volt, Impulsbelastbarkeit 100 kA bei einem Normstromimpuls der Wellenform 8/20 μs und 50 kA bei einem Normstromimpuls der Wellenform 10/350 μs.
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Durch Aufschmelzen der Kupferpaste bzw. der Eisen-Nickel-Legierung entsprechend einer Strom-Zeit-Charakteristik gemäß 3 ergibt sich eine failsafe Eigenschaft innerhalb des Überspannungsableiters. Der innere failsafe-Eigenschaft erlaubt den Einsatz des Überspannungsableiters in einer explosionsgefährdeten Umgebung, weil im Fehlerfall außerhalb des Überspannungsableiters keine Funkenbildung auftritt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Überspannungsableiter
- 2, 3
- Elektrode
- 2a, 3a
- (innere) Elektrode
- 2b, 3b
- Flansch
- 2c, 3c
- Außenanschluss der Elektrode
- 4
- Verschlusslötung
- 5
- Isolierkörper
- 6
- Hohlraum des Isolierkörpers
- 7
- Elektrodenhohlraum
- 7a
- Hinterschneidung des Elektrodenhohlraums
- 8
- Sackloch
- 9
- Zündstrich
- 10
- Kupferpaste gesintert
- 11
- Aktivierungsmasse
- A
- Elektrodenabstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063316 A1 [0002]
