DE2310960B2 - Gasgefüllte Entladungsröhre als Schutzvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gasg« jllte Entladungsröhre, wie sie beispielsweise als Überspannungsableiter bei Fernleitungen, aber auch im Zusammenhang mit Hochantennen verwendet wird.

Derartige Entladungsröhren sind im allgemeinen mit zwei Elektroden ausgestattet, die in einem vakuumdicht verschlossenen und mit einem inerten Gas von geeignetem Druck gefüllten Kolben in geeignetem Abstand voneinander angeordnet sind. Die Röhre wird dann zwischen die zu schützende Anordnung und Erde geschaltet. Bei erdsymetrischen Leitungen wird eine dritte Elektrode zwischen den beiden Elektroden angebracht und mit Erde verbunden, während die beiden Außenelektroden an die erdsymetrischen Leitungen geschaltet werden.

Die Uberschlagspannung ist von der Oberflächenbeschaffenheit, vom Material und vom Abstand der Elektroden, ferner von Art und Druck des Gases abhängig und soll etwas höher liegen als die normalerweise zwischen den zu schützenden Stellen auftretende Spannung. Die Entladung selbst beginnt zunächst als Glimmentladung, durch die die an der zu schützenden Einrichtung liegende Überspannung auf die Glimmspannung herabgesetzt wird. Bei größeren Glimmströmen, etwa ab 0,5 A kann die Glimmentladung in eine Lichtbogenentladung mit der wesentlich kleineren Lichtbogenspannung zwischen 10 V und 45 V übergehen. Mit kleiner werdendem Entladestrom geht die Lichtbogenentladung wieder in eine Glimmentladung über und erlischt, wenn die Überspannung den Glimmstrom nicht mehr aufrecht zu erhalten vermag. Bei einer Glimmentladung ist die Löschspannung meistens kleiner als die Zündspannung, doch soll auch die Löschspannung größer sein als die an den zu schützenden Einrichtungen liegende Normspannung,

Beim Überschlagjverdampft eine gewisse Menge des Elektrodenmaterials und schlägt sich an den kälteren Teilen der Entladungsröhre, insbesondere also an der Innenfläche der isolierenden Gefäßwand, aber auch an kalten Teilen der Elektroden selbst nieder. Sofern sich die Kondensationsprodukte an isolierenden Teilen niederschlagen, können sich mehr oder weniger hochohmige Nebenschlüsse zwischen den Elektroden

ίο ausbilden, die die Funktionsfähigkeit der Entladungsröhre herabsetzen oder ganz zerstören. Zur Behebung dieses Nachteils ist es bekannt (DE-AS 17 63 187), sowohl die Elektroden als auch das sie einschließende isolierende Gefäß als Rotationskörper mit abschnitts weise unterschiedlichen Durchmessern auszubilden, und zwar so, daß, vom Entladungsspalt zwischen den Elektroden ausgehend, die Durchmesser nach beiden Seiten hin größer werden. Damit werden die Wege längs der isolierenden Oberfläche zwischen den Elektroden größer, außerdem ergeben sich Gebiete auf der isolierenden Oberfläche, die. vom Entladungsspalt aus gesehen, sozusagen im Schatten liegen, so daß vermutet werden kann, daß das während einer Entladung aus dem Spalt austretende Elektrodenmate rial sich dort nicht niederschlägt Wie die Anmelderin in umfangreichen Versuchen gefunden hat, trifft diese Vermutung nicht ode;* jedenfalls in völlig unzureichendem Maße zu; außerdem ist die Herstellung einer Röhre nach diesem vorbekannten Stand der Technik teuer und

3C die Röhre erhält unnötig große axiale und radiale Abmessungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine als Überspannungsableiter brauchbare gasgefüllte Entladungsröhre anzugeben, deren Herstellung überaus einfach ist und bei der die sich durch das verdampfende und sich niederschlagende Elektrodenmaterial ergebenden Schwierigkeiten weitgehend und ohne zusätzliche Maßnahmen vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kennzeichnenden Merkma-

Ie des Anspruchs 1 gelöst.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird von der aus der DE-OS 19 51 015 bekannten Bauform eines Überspannungsabieiters ausgegangen, der entsprechend Fig. I aus den Elektroden E\ und E₂ und aus der

■»5 isolierenden Gefäßwand K besteht; dabei können die Elektroden entweder nur aus Metall bestehen oder zusätzlich an den Flächen A\ und Ai mit einem die Elektronenemission fördernden Material beschichtet sein. Tritt nun beispielsweise an deir Stelle X ein Lichtbogen auf, so bewirkt dessen hohe Temperatur pinmal einen fast explosionsartigen! Anstieg des Gasdruckes und dann ein Verdampfen von Elektrodenmaterial an den Lichtbogenfußpunkten;das Elektrodenmaterial wird zwar während der Entladung selbst in der heißen Plasmasäule zusammengehalten, wird aber nach Erlöschen der Entladung durch den hohen Gasdruck aus dem Entladungsspalt zwischen den Flächen A\ und A₂ herausgeschleudert. Dies ist in F i g. I durch die Pfeile schematisch angedeutet. Dabei ist das sich in unmittel barer Nähe des Entladungsspalts auf der Gefäßwand K niederschlagende Elektrodenmaterial nicht schädlich, sondern sogar nützlich, weil es zu einer Stabilisierung der Zündspannung beiträgt (DE-OS 20 32 899). Schädlich ist dagegen das in die Zwickel zwischen den Elektroden und der Gefäßwand rechts und links eindringende Elktrodenmaterial, das, sofern es sich auf der kalten Gefäßwand K niederschlägt, zu einem Nebenschluß zwischen den Elektroden führt.

Die Erfindung geht daher von der Erkenntnis aus, daß das verdampfte Elektrodenmaterial erst gar nicht in die Zwickel hineindiffundieren darf, weil dann auch eine abschnittsweise Vergrößerung der isolierenden Oberflächen keinen dauerhaften Erfolg verspricht. Vielmehr muß auf thermodynamische und aerodynamische Überlegungen zurückgegriffen werden: Wenn nämlich das Volumen der Zwickel so klein gemacht wird, daß die mit dem Lichtbogen entstehende Druckwelle das darin befindliche Gas stark komprimiert, stoßen die mit dem Erlöschen des Lichtbogens aus dem Entladungsspalt austretenden Partikel auf das verdichtete Gas in den Zwickel und verlieren an diesem Puffer ihre kinetische Energie. Die Pufferwirkung wird dadurch erreicht, daß die Zwickel eine bestimmte Mindestlänge in axialer Richtung nicht unterschreiten und eine bestimmte Höchstbreite in radialer Richtung nicht überschreiten.

Ein weiterer Vorteil des in den Zwickeln komprimierten Gases liegt darin, daß infolge der dort vorhandenen kleinen freien Weglängen die aus der heißen Plasmasäule austretenden Gasionen schnell rekombinieren.

Unter Beibehaltung der erfindungsgemäßen N'indestlänge in axialer Richtung und Höchstbreite in radialer Richtung können die Zwickel den Formen des isolierenden Gehäuses oder der Elektroden angepaßt werden. Der Zwickel S kann also wie in Fig.2a eine rein zylindrische Form haben oder kann sich wie in F i g. 2b vom Entladungsspalt weg verjüngen, so daß ein konischer Zwickel entsteht. Auch die Elektrodenform an der Übergangsstelle zwischen Entladungsspalt und Zwickel kann scharf wie in Fig. 2a und 2b, abgerundet wie in Fig.2c, abgeschrägt wie in Fig.2d oder abgetreppt wie in F i g. 2e sein.

Die Erfindung läßt sich auch mit anderen erprobten Bauformen von Entladungsröhren ohne weiteres kombinieren. Beispielsweise ist es aus der DE-OS 20 10 188 bekannt, die Elektroden E\ und E₂ nach F i g. 3 mit napfförmigen Vertiefungen H\ und H₂ zu versehen.

Wird nun erfindungsgemäß die Länge /der Zwickel S\ und S₂ mindestens gleich 1 mm gemacht und die größte Weite höchstens gleich 0,15 mm, so führt die bei einem Lichtbogen an der Stelle X entstehende Druckwelle nur in den Zwickeln zu der gewünschten Kompression, nicht aber in den von Vertiefungen H\ und H₂ gebildeten Hohlräumen. Es stellt sich also ein Druckgefälle ein, das das verdampfte Elektrodenmaterial nach Erlöschen des Lichtbogens zusätzlich von außen nach innen treibt. Die Form der Vertiefungen H_x und H₂ ist hierbei von untergeordneter Bedeutung: sie kann wie in Fig. 3 kegelstumpfförmig oder wie in Fig.4a abgestuft oder wie in Fig.4b muldenförmig oder wie in Fig.4c zylindrisch sein. Wichtig ist, daß das von den Vertiefungen H, und H₂ eingeschlossene Volumen groß ist gegenüber dem Volumen der Zwickel Si und S₂ und

daß der Übergang vom eigentlichen ErrJadungsspalt zu den Hohlräumen der Ausbreitung der Druckwelle keinen Widerstand entgegensetzt.

Das Ausführungsbeispiel einer Drei-Elektrodenröhre nach der Erfindung ist in F i g. 5 gezeigt mit den äußeren Elektroden E\ und £j entsprechend Fig. 3, einer durchbohrten Innenelektrode Ei und den isolierenden Gefäßwänden K, und K₂. Die Zwickel zwischen den Gefäßwänden und den Außenkonturen der Elektroden sind nach der Erfindung ausgebildet. Zur Verdeutlichung sind alle Entladungsröhren stark vergrößert dargestellt. Beispielsweise kann eine Röhre nach F i g. 3 einen Durchmesser von 5 mm und eine Länge von 6 mm aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Gasgefüllte Entladungsröhre als Schutzvorrichtung für vorübergehend auftretende Oberspannungen mit mindestens zwei koaxial angeordneten, topfförmigen Elektroden und mit einem die Elektroden vakuumdicht verbindenden Isolierkörper, wobei die Elektroden und der Isolierkörper so angeordnet sind, daß zwischen je zwei Elektroden ein Entladungsspalt besteht und die Innenwände des Isolierkörpers gleichbleibende Abstände von der Symetrieachse aufweisen, und wobei zwischen den Außenwänden jeder Elektrode und den Innenwänden des Isolierkörpers ein zwickeiförmiger Spalt gebildet wird, der sich in jeder Ebene durch die Symetrieachse vom Entladungsspalt aus zur Verbindungsstelle von jeder Elektrode mit dem Isolierkörper in axialer Richtung parallel oder annähernd parallel zur Symetrieachse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zwickelförmige Spalt (Zwickel Su Sz) eine Länge von mindestens 1 mm, gerechnet von der Mitte des Entladungsspaltes an, und eine Weite von höchstens 0,15 mm aufweist

2. Gasgefüllte Entladungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite des zwickeiförmigen Spaltes (Zwickel Si, ü) in Richtung zur Verbindungsstelle zwischen Elektrode (E\, £i) und Isolierkörper (Gefäßwand K) allmählich kleiner wird.