DE1944564A1

DE1944564A1 - UEberspannungsableiter

Info

Publication number: DE1944564A1
Application number: DE19691944564
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl-Ing Dr Peche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-09-02
Filing date: 1969-09-02
Publication date: 1971-03-04
Also published as: ZA706001B; CH517391A; SE358995B; FR2060351B1; DE1944564B2; US3649874A; GB1274393A; FR2060351A1; JPS516856B1; AT303873B

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einem gasdienten Gehäuse, in dem Elektroden einander gegenüberstehen, die gleichzeitig mit zumindest einem ringförmigen, keramischen Isolierkörper das Gehäuse des Überspannungsabieiters bilden, das eine vakuumdichte Glas-Metall-Versehmelzung aufweist.

Ein als überspannungsableiter dienendes Gasentladungsgefäß dieser Art ist· aus der deutschen Patentschrift 950 400^!ibekannt. Gemäß einer dort angegebenen Ausführungsform sind zwei kappenartig ausgebildete Elektroden je von einer Seite auf rohrförmige Ansätze eines ringförmigen, keramischen Isolierkörpers aufgeschoben. Der zwischen den rohrförmigen Ansätzen gelegene Mittelteil des keramischen Isolierkörpers hat einen größeren Außendurchmesser als die Ansätze und dient als Distanzring für die Elektroden, der den genauen Elektrodenabstand festlegt. Eine um das Gehäuse verlaufende, ringförmige Glas-Metall-Verschmelzung greift über die Außenumfangsseite des Isolierkörper«Mittelteils hinweg und verbindet die beiden Elektroden vakuumdicht miteinander. Über einen Pumpstengel wird der Überspannungsableiter nach Fertigstellung feines Gehäuses ausgepumpt, mit Edelgas gefüllt und durch einen Lötprozeß vakuumdicht verbunden.

Bei dem bekannten Überspannungsableiter stellt die mechanische Festigkeit- der vakuumdichten Verbindung ein wesentliches Problem dar. Denn die ringförmige, außen um das Gehäuse herumlaufende Glasverschmelzung liegt mit ihrer Innenseite zum größeren Teil auf der Außenseite des keramischen Isolierkörpers auf, und bildet nur an ihren beiden Rändern in der geringen Breite der Elektrodenmaterialstärke jeweils eine Glas-Metall-Verachmelzung, die das - Gehäuse vakuumdicht abschließt. Die Glas-Metall-Verschmelzung

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ist im Vergleich zur gesamten Breite der Glas-Verschmelzung zu schmal, um mechanische Belastungen in ausreichendem Maße aufnehmen zu können. ■

Mechanische Belastungen treten jedoch in Form von Stoß-, -Biege- oder Druckbelastungen beim transport, bei der Lagerung, bei der Handhabung oder im Betrieb von Überspannungsableiter!! häufig auf. Beispielsweise kann ein leichter Stoß-oder eine leichte Biegebeanspruchung beim Einsetzen des Überspannungsabieiters in seinen Halter dann die außen um das Gehäuse verlaufende Glas-Metall-Verschmelzung beschädigen und den vakuumdichten Abschluß des Gehäuses zerstören.

Weiterhin ist eine außen um eine Verbindungsstelle zwischen einem keramischen Isolierkörper und metallischen Elektroden herumlaufende Glas-Verschmelzung im Betrieb ständig durch thermische Spannungen der sich unterschiedlich ausdehnenden Materialien gefährdet, zumal Glas praktisch keine Zugspannung aufnimmt.

Eine vakuumdichte und mechanisch ausreichend feste Verbindung zwischen den Elektroden und dem Isolierkörper wäre beispielsweise in Form einer Hartlötverbindung denkbar. Es besteht aber ein wesentliches Problem bei der Herstellung einer Hartlötverb indungAdarin, daß die Isolierung zwischen den Elektroden gefährdet wird. Denn ein Teil des Hartlotmaterials verdampft bei der Arbeitstemperatur des Lötvorganges. Das Hartlotmaterial kann sich dann teilweise auf dem Isolierkörper niederschlagen oder in flüssiger Form auf diesem verlaufen und dort zu leitenden Inseln und Pfaden führen. Wenn eine solche Insel oder solcher Pfad galvanisch mit einer Elektrode verbunden ist, kann sich bei einer Entladung des Überspannungsabieiters ein Kathodenpunkt auf dem Isolator ausbilden. Am Ort des Kathodenpunktes tritt dann kurzzeitig eine punktförmige Erhitzung auf, die zu starken Wärmespannungen und zum Springen des Isolators führt.

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Die Lebensdauer eines solchen Überspannungsabieiters ist aufgrund dieser Vorgänge auch ohne einen zu seiner Zerstörung führenden Überlastfall stark begrenzt..

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen gasdichten Überspannungsableiter zu schaffen, der eine hohe Lebensdauer und während dieser hohen Lebensdauer mit Sicherheit eine ausreichende elektrische Isolation zwischen seinen Elektroden gewährleistet. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Überspannungsableiter der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Elektroden am Übergang zum keramischen Isolierkörper mit diesem unter Verwendung von Glas in Form einer Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung sowohl vakuumdicht, als auch mechanisch fest verbunden sind.

Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, daß ein Überspannungsableiter gemäß der Erfindung durch die Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung im Übergangsbereich zwischen den Elektroden und dem Isolierkörper einerseits mechanisch vergleichbar feste Verbindungen wie bei einer Hartlötverbindung aufweist und andererseits der Isolierkörper auch nach der Herstellung mit Sicherheit frei von galvanischen Niederschlägen ist.

Ein erfindungsgemäßer Überspannungsableiter ist vorteilhaft so ausgebildet, daß bei der Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung die metallischen Elektroden am Übergang zum keramischen Isolierkörper diesen ringförmig umschließen. Aufgrund der größeren Wärmeausdehnung von Metall schrumpfen dann die den Isolierkörper ringförmig umschließenden Elektrodenteile bei der Abkühlung nach der Herstellung auf den Isolierkörper auf und verstärken so die mechanisch feste Verbindung zwischen diesem und den Elektroden. Von Bedeutung ist dabei weiterhin, daß Glas wesentlich höhere Druck- als Zugbelastungen aufnehmen kann.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat · der keramische Isolierkörper innerhalb dee.igasdxhten Geh&uqeg-zumindest eine auf einer der Längsachse des Überspannungsableiters abgewandten Seite ringsuralaufende, freibleibende Oberfläche, die zusammen mit den an den Isolierkörper angrenzenden Elektrodenteilen eine Ringnut bildet, auf deren Grund das die Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung zwischen dem keramischen Isolierkörper und. den angrenzenden Elektrodenteilen bildende Glas angeordnet ist. Diese Anordnung hat den Vorteily daß die ringsumlaufendej freibleibende Oberfläche in den Ringnuten.gegen den Verteilungsbereieh der bei Lichtbogenentladungen erzeugten Metalldämpfe abgeschattet liegt. Es kann deshalb das im Betrieb abgedampfte Elektrodenmaterial diese Oberfläche nicht erreichen. Auf diese Weise bleibt die auch die Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung gewährleistete Isolierung der Elektroden auch im Betrieb des überspannungsableiters erhalten. Mit besonderem Vorteil ist eine abgeschaltete Ringnut mit einer Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung an jedem Übergang des Isolierkörpers auf eine Elektrode vorgesehen.

Anhand der Figuren der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden.

Es zeigt; . .

Fig. 1: Eine Ausführungsform eines Überspannungsabieiters gemäß der Erfindung;

. Fig. 2: Eine zweite Ausführungsform eines Überspannungsableiters.

In Fig. 1 sind mit 1 und 2 Elektroden bezeichnet, die gleichzeitig zu einem wesentlichen Teil als gasdichtes Gehäuse für den Überspannungsableiter dienen. Ein ringförmiger Isolierkörper 3 aus Keramik, der im Querschnitt T-Form hat, wobei der ,

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Ϊ-Xängsbalken senkrecht zur Achse gerichtet ist, trennt die Elektroden 1 und 2 elektrisch voneinander. Die Elektrode hat die Form eines Hohlzylinders mit einer Endwand und ihr Innendurchmesser ist am anderen, offenen Ende sprungartig vergrößert. Sie ist mit ihrem offenen Ende auf dem T-Längsbalken des Isolierkörpers 3 aufgesetzt und bildet mit ihrer Innenfläche und der ihr gegenüberliegenden, ringsumlaufenden Oberfläche 7 des Isolierkörpers 3 eine Ringnut 13. Eine Keramik-G-las-Metall-Verschmelzung 6 ist am Boden der Ringnut 13 zwischen dem Isolierkörper 3 und den angrenzenden Elektrodenteilen angeordnet und verbindet gasdicht und mechanisch fest die Elektrode 1 mit dem Isolierkörper 3. Eine als massiver, länglicher Zylinder mit einer Endkappe ausgebildete Elektrode ist mit ihrer Endkappe auf der anderen Seite des Isolierkörpers an dessen T-Längsbalken in gleicher Weise wie die Elektrode befestigt, ragt mit dem länglichen Zylinder frei durch den Isolierkörper 3 hindurch und in die hohlzylinderförmige Elektrode zentrisch hinein. Eine Hilfszündelektrode 5 kann an der der Elektrode zugewandten Stirnseite des Isolierkörpers 3 befestigt sein.

Die Elektroden 1 und 2 bilden einen Entladungsraum 4 zwischen sich, gegenüber dem die beiden Ringnuten 13 abgeschattet liegen. Elektrodenmaterial, das im Betrieb des Überspannungsabieiters aus dem Entladungsraum 4 abdampft, kann von dort keine der beiden Ringnuten 13' erreichen. Eine galvanische Verbindung zwischen dem Isolierkörper 3 einerseits und den Elektroden und 2 andererseits ist somit praktisch ausgeschlossen, da die ringsumlaufenden Oberflächen 7 in den Ringnuten 13 mit Sicherheit frei von leitenden Inseln und Pfaden sind.

In Fig. 2 ist mit 9 eine Elektrode bezeichnet, die die Form eines Metallstiftes hat, der in einer Endkappe 10 ,gehaltert ist. Die Endkappe 10, die um" den Metallstift 9 einen V-förmig in das gasdichte Gehäuse hineinr-agenden Wulst bildet, ist in

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das eine Ende eines ringförmigen keramischen Isolierkörpers 8 mittels einer Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung 6 gasdicht eingesetzt. Die der stiftförmigen Elektrode 9 gegenüberliegende, zweite Elektrode 11 ist topfförmig ausgebildet, wobei das freie Ende der stiftförmigen Elektrode 9 in die topfförmige Elektrode 11 hineinragt. Ein Metallteil 12, das rotationssvr-"-^:'· ^v·'· symmetrisch um den Außenrand der topfförmigen Elektrode 11 verläuft, die in der gleichen Weise gasdicht in das andere Ende des ringförmigen Isolierkörpers 8 eingesetzt, ragt in das gasdichte Gehäuse hinein und haltert die topfförmige Elektrode 11. Das rotationssymmetrische Metallteil 12 bildet mit der ihm gegenüberliegenden, ringsumlaufenden Oberfläche 7 des Isolierkörpers 8 eine Hingnut 13.

Die Stirnfläche der Elektrode 9 und der Boden der Elektrode 11 sind mit einer Masse aktiviert, die die Austrittsarbeit herabsetzt. Zwischen diesen Flächen liegt der Entladungaraum 4, gegenüber dem die Ringnut 13 abgeschattet liegt. Elektrodenmaterial, das im Betrieb des Überspannungsabieiters aus dem Entladungsraum 4 abdampft, kann von dort weder die Ringnut 13 noch die ringsumlaufende Oberfläche 7 des Isolierkörpers 8 erreichen, die dem Y-förmigen Wulst der Endkappe 10 direkt gegenüberliegt. Eine galvanische Verbindung zwischen dem Isolierkörper 8 einerseits und den Elektroden 9 und 11 andererseits ist somit ebenfalls bei dem Knopfableiter der Pig. 2 praktisch ausgeschlossen.

Die Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung 6 zwischen den Isolierkörpern 3 bzw. 8 und den Elektroden 1 und 2 bzw. 10 und 11,12 kann in der Wei.se hergestellt sein, daß das offene Ende der Elektrode 1 bzw. die Endkappe der Elektrode 2, 10 oder 11, 12 nach den bekannten Verfahren der Glas-Metall-Verbindungen beglast wird. Beim Einschmelzprozeß werden die Elektroden bzw. ■ die Elektrodenkappen nach dem Hochfrequenzverfahren erhitzt und die Beglasung wird geschmolzen. Die beglaste'n Elektrodenteile verbinden sich dann gasdicht mit der Keramik des Iaolier-

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körpers und die poröse Keramikoberfläche wird durch das Glas versiegelt. Man kann aber auch, erst" das Glas auf die Keramik aufschmelzen. Durch die Strahlungswärme der erhitzten Elektrodenteile schmilzt das Glas und verbindet den Isolierkörper gasdicht mit den Elektroden. Mechanische Festigkeit und Temperaturbeständigkeit einer solchen Keramik-Glas -Metall-VerSchmelzung und einer Hartlötverbindung sind vergleichbar gut.

Überspannungsableiter mit einer Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung haben noch den Vorteil, daß bei ihrer vorzugsweise pumpstengellosen Herstellung nur die Elektroden selbst genau geführt v/erden brauchen und die genaue Lage des Isolierkörpers keine so große Bedeutung hat. Bei der Herstellung auftretende Toleranzen zwischen den Elektroden und dem Isolierkörper werden nämlich durch die festwerdende Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung ausgeglichen.

Die Erfindung hat besondere Bedeutung für überspannungsableiter kleiner Bauart. Beispielsweise hat bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Überspannungsableiter einen Durchmesser von 8 mm una eine Länge von 20 mm.

Die Erfindung ist nicht auf einen überspannungsableiter mit nur zwei Elektroden beschränkt. Sie findet vielmehr auch mit Vorteil bei Überspannungsableiter! mit mehr als zwei Elektroden Anwendung, wobei natürlich jeweils zwei Elektroden durch einen Isolierkörper mit erfindungsgemäßen Merkmalen elektrisch ^.getrennt sind.

2 Figuren

5 Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

f 1./Überspannungsableiter mit einem gasdichten Gehäuse, in dem Elektroden einander gegenüberstehen, die gleichzeitig mit zumindest einem ringförmigen,teramischen Isolierkörper das Gehäuse des Überspannungsabieiters bilden, das eine vakuumdichte Glas-Metall-Verschmelzung aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektroden (1,2,10,11,12) am Übergang zum keramischen Isolierkörper (3,8) mit diesem unter Verwendung von Glas (6) in Form einer Keramik-Glas»- Metall-Verschmelzung sowohl; vakuumdicht als auch mechanisch Test verbunden sind. -
2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, da d u r c h ge kennzeichnet ,daß bei der Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung die metallischen Elektroden (1,2,10,11,12) am Übergang zum keramischen Isolierkörper (3,8) diesen ringförmig umschließen.
3. Überspannungsableiter nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet ,daß der keramische Isolierkörper (3) innerhalb des gasdichten Gehäuses zumindest eine auf einer der Längsachse des Überspannungsabieiters abgewandten Seite^ ringsumlaufende, freibleibende Oberfläche, die zusammen mit den an den Isolierkörper angrenzenden Elektrodenteilen eine Ringnut (13) bildet, auf deren Grund das die Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung zwischen dem keramischen Isolierkörper (3) und den angrenzenden Elektrodenteilen bildende Glas (6) angeordnet ist.
4. Überspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet ,daß der ringförmige Isolierkörper (3) im Querschnitt T-Form mit einem senkrecht zur Längsachse gerichteten 5-Längsbalken aufweist, und daß eine als massiver länglicher Zylinder mit einer Endkappe ausgebildete Elektrode (2)

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mit ihrer Endkappe auf der einen Seite des ringförmigen Isolierkörpers (3) im Bereich des ΐ-Längsbalkens durch die KeraiHik-Glas-Metall-Verschmelzung (6) befestigt ist, mit dem länglichen Zylinder (2) durch den Isolierkörper (3) hindurchragt und in eine zweite, in Form eines Hohlsylinders mit einer Endwand ausgebildete Elektrode (1) zentriseh hineinragt, die auf der anderen Seite des T-Längsbalkens durch die Keramik-Glas-Metall-Verschmslzung (6) befestigt ist.

Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, in Form eines Knop£ableiters, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden des Überspannungsabieiters die Form eines Metallstiftes (9) hat, der in einer Endkappe (10) gehaltert ist, die um den Außenrand des Metallstiftes (9) einen V-förmig in das gasdichte Gehäuse hineinragenden Wulst bildet und in das eine Ende des ringförmigen Isolierkörpers (8) mit dem ölas (6) eingesetzt ist, während die der stiftförraigen · Elektrode (9) gegenüberliegende zweite Elektrode (11) topfförmig ausgebildet ist, wobei das freie Ende der stiftförraigen Elektrode (9) in die topfförmige Elektrode (11) hineinragt und die topfförmige Elektrode (11) am Außenrand ihres offenen Endes durch ein rotationssymmetrisches Metallteil (12) gehaltert ist, das in das andere Ende des ringförmigen Isolierkörpers (8) mit dem Glas (6) eingesetzt ist.

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