DE1944564B2

DE1944564B2 - Überspannungsableiter

Info

Publication number: DE1944564B2
Application number: DE1944564A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Dr. 1000 Berlin Peche
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-09-02
Filing date: 1969-09-02
Publication date: 1975-04-30
Also published as: ZA706001B; GB1274393A; AT303873B; DE1944564A1; JPS516856B1; CH517391A; FR2060351B1; FR2060351A1; US3649874A; SE358995B

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einem gasdichten Gehäuse, in dem Elektroden einander gegenüberstehen, die gleichzeitig mit zumindest eäiem keramischen, ringförmigen Isolierkörper das Gehäuse des Überspannungsabieiters bilden, das eine vakuumdichte ringförmige Keramik-Metall-Verschmelaing unter Verwendung von Glas aufweist

Ein als Überspannungsableiter dienendes Gasentladungägefäß dieser Art ist aus der deutschen Patentschrift 9 30400 bekannt 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

iS 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

μ Elektroden vakuumdicht miteinander. Über einen Pumpstengel wird der Überspannungsableiter nach Fertigstellung seines Gehäuses ausgepumpt mit Edelgas gefüllt und durch einen Lötprozeß vakuumdicht verbunden.

2s 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 größten 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-Verschmelzung, die das Gehäuse vakuumdicht abschließt. Die Glas-Metall-Verschmelzung ist im Vergleich zur gesamten Breite der Glasverschmelzung 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 Überspannungsableitern 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 Zugspannungen auf- ' nimmt.
Ein weiteres als Überspannungsableiter dienendes Gasentladungsgefäß ist aus der britischen Patentschrift 10 26 054 bekannt. Gemäß einer dort angegebenen Ausführungsform sind zwei Metallmanschetten je von einer Seite in nutförmige Aussparungen eines ringförmigen, aus Porzellan bestehenden Isolierkörpers eingeschoben und durch eine Porzellan-Glas-Metall-Verschmelzung mit diesem verbunden. An den Stirnseiten der Manschetten sind Flanschringe befestigt, die die im Inneren des Isolierkörpers einander gegenüberstehenden Elektroden tragen. Der Porzellanisolierkörper, die

Metallmanschetten, die Flanschringe und die Elektroden bilden das vakuumdichte Gehäuse des Überspannungsableiter. Auch bei diesem bekannten Überspannungsableiter stellt die mechanische Stabilität und die

damit verbundene Dichtheit des Gefäßes ein wesentliches Problem dar. Denn die in der Nut des Isolierkörpers vertaufende ringförmige Porzeilan-Glas-Metall-Verschmelzung kann nur an den Rändern der Metallmanschetten in der Nut eine das Gehäuse verschließen- S de Verbindung bilden. Da jedoch, wie bereits erwähnt, mechanische Belastungen in Form von Stoß-, Biegeoder Druckbelastungen beim Transport, bei der Lagerung, bei der Handhabung oder beim Betrieb von Oberspannungsablettern auftreten können, ist diese "> ringförmig? Porzellan-Glas-Metall-Verschmelzung zu schmal, um einer solchen mechanischen Belastung oder beim Betrieb auftretenden thermischer. Spannungen standzuhalten und eiaen vakuumdichten Verschluß des Gehäuses zu gewährleisten. '5

Ein weiterer Überspannungsableiter mit einer Keramik-Glas-Metall-Verbindung ist aus der österreichischen Patentschrift 1 95 503 bekannt. Die Elektroden dieses bekannten Überspannungsabieiters sind als flächenhafte Platten ausgebildet, welche aie Ober- und Unterseite eines Keramikkörpers abdecken und mit diesem mittels einer Glasur vakuumdicht verbunden sind. Da Glaslot nur geringe Scherkräfte aufnehmen kann, ist ist die Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung bei einem Überspannungsableiter nach der genannten österreichischen Patentschrift nur dann stabil, wenn die thermischen Audehnungskoeffizienten von Keramik und Metall aufeinander abgestimmt sind. Sowohl ein höherer als auch ein niedrigerer Ausdehnungskoeffizient des Metalls gegenüber der Keramik sind un- brauchbar, weshalb die bekannte Anordnung keine praktische Bedeutung erlangen konnte.

Eine vakuumdichte und mechanisch ausreichend feste Verbindung zwischen den Elektroden und dem Isolierkörper ohne Rücksicht auf thermische Ausdeh nungskoeffizienten wäre in Form einer Hartlötverbindung denkbar. Es besteht aber ein wesentliches Problem bei der Herstellung einer Hartlötverbindung darin, daß die Isolierung zwischen den Elektroden gefährdet wird. Denn ein Teil des Hartlötmaterials 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 oder 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 Die Lebensdauer eines solchen Überspannungsabieiters ist auf Grund dieser Vorgänge auch ohne einen zu seiner Zerstörung führenden Überlastfall stark begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen gasdichten Überspannungsableiter hoher Lebensdauer zu schaffen, der während der 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 das Glas am Übergang zum keramischen Isolierkörper sowie der Isolierkörper und die diesen ringförmig umschließenden Elektroden derart angeordnet sind, daß die den Isolierkörper ringförmig umschließenden Elek- ⁶S trodenteile auf das Glas am Isolierkörper aufschrumpfbar sind.

Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, daß ein Über

spannungsableiter gemäß der Erfindung durch die Keramik-Glas-Metall-Verschmelzuag im Obergangsbereich 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. Auf Grund der größeren Wärmeausdehnung von Metall schrumpfen dann die den Isolierkörper ringförmig umschließenden Elektrodenteile bei der Abkühlung nach der Herstellung auf das Glas am 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.

Ein wesentlicher Vorteil eines erfindungsgemäßen Überspannungsabieiters besteht darin, daß auf Grund der größeren Wärmeausdehnung von Metall die den Isolierkörper ringförmig umschließenden Elektrodenteile bei der Abkühlung nach der Herstellung auf den Isolierkörper aufschrumpfen und so nach Art einer Druckglasverbindung die Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung mechanisch verstärken. Gegenüber den bekannten Überspannungsableitern mit einer Keramtk-Glas-Metall-Verschmelzung ergibt sich dadurch eine wesentlich verbesserte mechanische Festigkeit

An Hand der Figuren der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g 1 eine Ausführungsform eines Überspannungsabieiters gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform eines Überspannungsableiters.

In F i g. 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-Fcrm hat, wobei der T-Längsbalken senkrecht zur Achse gerichtet ist trennt die Elektroden 1 und 2 elektrisch voneinander. Die Elektrode 1 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-Glas-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 2 ist mit ihrer Endkappe auf der anderen Seite des Isolierkörpers 3 an dessen T-Längsbalken in gleicher Weise wie die Elektrode 1 befestigt, ragt mit dem länglichen Zylinder frei durch den Isolierkörper 3 hindurch und in die hohlzylinderförmige Elektrode 1 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 Be-

trieb 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 1 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 Fi g. 2 ist mit 9 eine Elektrode bezeichnet, die die Form eines Metallstittes hat, der in einer Endkappe 10 gehaltert ist Die Endkappe 10, die um den Metallstift 9 einen V-förmig in das gasdichte Gehäuse hineinragenden Wulst bildet, ist in 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 U hineinragt Ein Metallteil 12. das rotationssymmetrisch un dem Außenrand der topfförmigen Elektrode 11 verläuft, die in der gleichen Weise gasdicht in das andere Ende des ringförmigen Isolierkörpers 8 eingesetzt ist, 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 Ringnut 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 Entlad-'ngsraum 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 V-förmigen Wulst der Endkappe 10 direkt gegenüberliegt Eine galvanische Verbindung zwischen dem Isolierkörper 8 einerseits und den Elektroden 9 und U andererseits ist somit ebenfalls bei dem Knopfabieiter der F i g. 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 Weise hergestellt sein, daß das offene Elide der Elektrode 1 bzw, die Endkappe der Elektrode IK, 10 oder 11₍ 12 nach den bekannten Verfahren der Glas-Metall-Verbindungen beglast wird. Beim Einschmelzprozeß werden die Elektroden bzw. die Elektrodenltappen nach.dem Hochfrequenzverfahren erhitzt* und die Beglasung wird geschmolzen.

Die beglasten Elektrodenteile verbinden sich dann gasdicht mit der Keramik des Isolierkörpers, und die poröse Keramikoberfläcrit; 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 Kerainik-Glas-Metall-Verschmelzung und einer Hartlötverbindung sind vergleichbar gut

Überspannungsableiter mit einer Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung haben noch den Vorteil, daß bei ihrer vorzugsweiise piimpstengeilosen Herstellung nur die Elektroden selbst: genau geführt zu werden brauchen und die genaue Lage des Isolierkörpers keine so große Bedeutung hat Bei der Herstellung auftretende Toleranzen zwischen den Elektroden und dem Isolierkörper werden nämlkh durch die fest werdende Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung ausgeglichen.

Die Erfindung hai besondere Bedeutung für Überspannungsableiter kleiner Bauart Beispielsweise hat bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform der

Überspannungsableiter einen Durchmesser von 8 mm und eine Länge von :l!0 mm.

Die Erfindung ist nicht auf einen Überspannungsableiter mit nur zwei Elektroden beschränkt. Sie finde! vielmehr auch mit Vorteil bei Überspannungsableiter mit mehr als zwei Elektroden Anwendung, wobei na türlich jeweils zwei Elektroden durch einen Isolierkör per mit erfindungsgemäßen Merkmalen elektrisch ge

trennt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Sttft

Claims

Patentansprüche:

L Uberspannungsableiler mit einem gasdichten Gehäuse, in dem OzSaroden einander gegenüberstehen, die gleichzeitig mit zumindest einem keramischen, ringfonmgen Isolierkörper das Gehäuse des Oberspannungsableiters bilden, das eine vakuumdichte ringförmige Keramik-Metall-Verschmelzung unter Verwendung von Glas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas (6) am Obergang zum keramischen Isolierkörper (3,8) sowie der Isolierkörper (3,8) und die diesen ringförmig umschließenden Elektroden (t, 2,10,11,12) derart angeordnet sind, daß die den Isolierkörper ringförmig umschließenden Elektrodenteile auf das Glas am Isolierkörper aufschrumpfbar sind.
2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, da durcfc gekennzeichnet, daß der keramische Isolierkörper (3) innerhalb des gasdichten Gehäuses zumindest eine auf einer der Längsachse des Überspannungsableiter abgewandten Seite ringsumlaufende, freibleibende Oberfläche hat 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.
3. Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Isolierkörper (3) im Querschnitt T-Form mit einem senkrecht zur Längsachse gerichteten T-Längsbalken aufweist und daß eine als massiver länglicher Zylinder mit einer Endkappe ausgebildete Elektrode (2) mit ihrer Endkappe auf der einen Seite des ringförmigen Isolierkörpers (3) im Bereich des T-Längsbalkens durch die Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung (6) befestigt ist, mit dem länglichen Zylinder der Elektrode (2) durch den Isolierkörper (3) hindurchragt und in eine zweite, in Form eines Hohlzylinders mit einer Endwand ausgebildete Elektrode (1) zentrisch hineinragt, die auf der anderen Seite des T-Längsbalkens durch die Keramik-Glas-Metall-Verschmelzung (*») befestigt ist.
4. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 in Form eines Knopfabieiters, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden des Überspannungsableiter 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 Glas (6) eingesetzt ist, während die der stiftförmigen Elektrode (9) gegenüberliegende zweite Elektrode (11) topfförmig ausgebildet ist, wobei das freie Ende der stiftförmigen Elektrode (9) in die topf form ige Elektrode (U) 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.