DE2346175B2 - Überspannungsableiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einem gasdichten Gehäuse, in dem Elektroden einander gegenüberstehen, die in die Stirnseiten eines so rohrförmigen Isolierkörpers eingesetzt sind, auf dessen Innenseite sich mindestens ein Zündstreifen ausgehend von den Stirnseiten auf einem Teil der Rohrlänge zur Gegenelektrode hin erstreckt

Ein derartiger Überspannungsableiter geht aus der DE-OS 2207 009, insbesondere Fig. 1, als bekannt hervor. Der Zündstreifen ist dabei auf der Stirnseite eines rohrförmigen Isolierkörpers angebracht und steht galvanisch mit den Elektroden des Überspannungsableiters in Verbindung.

Aus der DE-OS 20 32 899 sind mehrere Möglichkeiten bekannt, einen Zündstreifen in einem Überspannungsableiter mit angelöteten Elektroden anzubringen. Über die Lötverbindung wird das Elektrodenpotential auf den als Zündstreifen bzw. Zündstrich bezeichneten Streifen aus elektrisch leitfähigem Material übertragen. Bei diesen bekannten Überspannungsableiter!! ist die Kontaktierung der Zündstreifen mit den Elektroden problemlos, da die Elektroden auf den Keramikisolator hart aufgelötet werden. Der Zündstreifen hat dabei den notwendigen Kontakt von vornherein mit der Metallisierung der Keramik. Da Überspannungsableiter mit einem geringen Gasdruck arbeiten, muß beim Verschließen der Ableiter durch die Hartlotverbindung darauf geachtet werden, daß der Isolationswiderstand nicht durch kondensierte Bestandteile des Lotes in unzulässiger Weise verringert wird. Diesen Nachteil kann man nur durch einen sehr aufwendigen Fabrikationsvorgang verhindern, indem entweder Hartlote mit sehr niedrigem Dampfdruck (z. B. reines Gold) verwendet werden oder die Überspannungsableiter zunächst unter Überdruck in Wasserstoffatmosphäre gelötet werden, so daß die leichtflüchtigen Bestandteile der Hartlotverbindungen nicht abdampfen. In einem weiteren Fabrikationsgang kann dann den Ableitern im Hochvakuum bei niedriger Temperatur das überschüssige Wasserstoffgas durch Diffusion durch die Eletkrodenwand entzogen werden und so der vorgeschriebene Arbeitsdruck im Überspannungsableiter eingestellt werden, ohne daß sich die Isolation des Keramikisolierkörpers verschlechtert

Zur Beseitigung des Nachteils der Metallötung zwischen Isolierkörper und Elektroden ist es bereits aus der DE-OS 22 07 009 bekannt die Elektroden in an sich bekannter Weise an die Enden des rohrförmigen Isoliierkörpers anzuglasen und im Bereich der Anglasungsstelle den Zündstreifen unmittelbar mit der Elektrode in Verbindung zu bringen. Dabei hat sich gezeigt daß die Zündstreifen auch ohne Metallötung, d. h. nur unter Verwendung von Glas als Einschmelzmaterial mit den Elektroden ausreichend kontaktiert werden können.

Bekanntlich nimmt bei normalen Überspannungsableitern mit radioaktiver Vorionisation die Ansprechstoßspannung mit zunehmender Spannungsanstiegsgeschwindigkeit zu. Mit den in der Praxis üblichen und auch zulässigen Aktivitäten läßt sich durch die Vorionisation die Ansprechstoßspannung im Bereich dU/dt = 1 — 1 OkV^s in nur ungenügender Weise reduzieren, so daß der Schutzpegel gasgefüllter Überspannungsableiter, z.B. für den Schutz von Halbleiterschaltungen, in diesem Bereich unzulässig hoch ist

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Überspannungsableiter hoher Betriebssicherheit zu schaffen, bei dem auch im Bereich hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten die Ansprechstoßspannung in genügender Weise reduziert ist Die Aufgabe wird bei einem Überspannungsableiter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zündstreifen über eine Glasschicht kapazitiv an die einander gegenüberstehenden Elektroden angekoppelt ist.

Es hat sich gezeigt, daß die kapazitive Ankopplung des Zündstreifens an die Elektrode des Überspannungsabieiters genügt, um im Bereich hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten die Ansprechstoßspannung zu reduzieren. Der wesentliche Vorteil der kapazitiven Kopplung besteht darin, daß bei einer teilweisen Bedampfung des Isolierkörpers eine hochohmige innere Verbindung der gegenüberliegenden Zündstreifen zugelassen werden kann, weil die Isolation der Zündstreifen zu den Elektroden durch das Dielektrikum aufrechterhalten wird. Die zwischen dem Zündstreifen und den Elektroden liegende Oberfläche des Dielektrikums liegt im Hinterraum der Entladung und wird durch Zerstäubungsprodukte im allgemeinen nicht verändert.

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

F i g. 1 einen Längsschnitt eines vereinfacht dargestellten Überspannungsabieiters gemäß der Erfindung, s

F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt einer Glaseinbettung bei II der F i g. 1,

Fig.3 einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines Überspannungsabieiters gemäß der Erfindung. to

Der in F i g. 1 dargestellte Überspannungsableiter besteht aus zwei kegelstumpfförmigen Elektroden 1 und 2, die mit ihren einander zugekehrten Vorwölbungen in die Stirnseiten eines rohrförmigen Isolierkörpers 3 gasdicht eingesetzt sind. Überspannungsableiter dieser Art werden wegen der äußeren Form auch Knopfableiter genannt Auf der Innenseite des rohrförmigen Isolierkörpers 3 erstreckt sich ausgehend von der der Elektrode 1 benachbarten Stirnseite des Isolierkörpers 3 und ausgehend von der der Elektrode 2 benachbarten Stirnseite des Isolierkörpers 3 jeweils ein Zündstreifen 5 in Richtung auf die jeweilige Gegenelektrode 1 bzw. 2. Die Zündstreifen 5 sind in den F i g. 1 und 3 zur besseren Übersicht gestrichelt dargestellt Der Anfang der Zündstreifen 5 ist an den Stirnseiten des Isolierkörpers 3 jeweils über eine Glasschicht 4 derart in isoliertem Abstand angeordnet, daß die Zündstreifen 5 kapazitiv an die Elektroden 1 bzw. 2 angekoppelt sind. Zur besseren Übersicht ist in Fig.2 ein vergrößerter Ausschnitt der Glaseinbettung bei II der F i g. 1 dargestellt Der isolierte Abstand des auf den Isolierkörper 3 aufgebrachten Zündstreifens 5 zur Elektrode 2, der durch eine Glasschicht 4 realisiert wird, ist deutlich zu erkennen. Der Zündstreifen 5 besteht vorzugsweise aus einer Graphitsuspension oder aus einer Mischung aus niedrigschmelzendem Glaslot und einer Graphitsuspension. Auch die Verwendung von Graphit als Material für den Zündstreifen hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen. Ein Graphitstreifen läßt sich exakt und ohne großen Aufwand durch Abrieb von einer Graphitmine auf den Keramikkörper 3 aufbringen.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Überspannungsableiter sind wiederum zwei kegelstumpfförmige Elektroden

1, 2 mit ihren einander zugekehrten Aufwölbungen in die Stirnseiten eines z. B. aus Keramik bestehenden rohrförmigen Isolierkörpers 3 gasdicht eingesetzt. Überspannungsableiter dieser Art werden wegen der äußeren Form auch Knopfabieiter genannt Auf der Innenseite des rohrförmigen Isolierkörpers 3 erstrecken sich von den gegenüberliegenden Stirnseiten des so Isolierkörpers 3 ausgehend je ein Zündstreifen 5 über einen Teil der Rohrlänge in Richtung auf die der jeweiligen Stirnfläche gegenüberliegende Elektrode 1,

2. leder der beiden Zündstreifen S ist dabei in isoliertem Abstand zu der ihm zugeordneten Elektrode !. 2 gehalten, und auch in diesem Ausfuhrungsbeispiel zu diesem Zweck in eine Glasschicht 4 eingebettet Auf der Außenseite sind die Elektroden 1, 2 mit massiven zylinderförmigen Zuleitungen 7 versehen, dia am Boden des jeweiligen Kegelstumpfes befestigt sind. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit sind die einander gegenüberliegenden Oberflächen der Elektroden 1, 2 jeweils mit einer Scheibe 6 versehen, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Oberflächen der Elektroden I₁2. Das Material der Scheibe ist ein Metall, vorzugsweise Eisen. Der Vorteil der Verwendung solcher Scheiben 6 besteht auch darin, daß der Abstand der Zündstreifen 5 zu diesen Gegenelektroden bildenden Scheiben 6 wesentlich kleiner sein kann als der eigentliche Elektrodenabstand. Auch bei einem Abstand der Zündstreifen 5 zu den die Gegenelektroden bildenden Scheiben 6, der kleiner als der Elektrodenabstand ist, müssen die Zündstreifen S in ihrer Länge nicht festgelegt sein. Das heißt es braucht kein definierter Abstand zwischen den Enden der Zündstreifen 5 und den die Gegenelektroden bildenden Scheiben 6 gefordert werden. Das ist für eine Massenfertigung von erheblichem Vorteil. Wenn bei kapazitiver Kopplung der Zündstreifen 5 diese wirksam werden, dann ergibt sich im Bereich hoher Spannungssteilheiten eine Ansprechstoßspannung, die unterhalb der Ansprechgleichspannung liegen kana Dieser Effekt wird nur bei hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten erreicht da nur dann der Zündstreifen 5 mit kleinerem Elektrodenabstand zur Gegenelektrode zündet während bei Unwirksamkeit der kapazitiven Kopplung bei niedrigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten des Zündstreifens 5 zur Elektrode die Ansprechspannung durch den vergrößerten Elektrodenabstand gegeben wird. Oberhalb einer Ansprechgleichspannung von 1000 V nimmt dieser Effekt mit zunehmendem Druck und zunehmender Ansprechgleichspannung zu. Unterhalb einer Ansprechgleichspannung von 1000 V läßt sich die Ansprechstoßspannung nicht mehr unter die Ansprechgleichspannung zwingen, jedoch kann man auch in diesem Bereich durch die vorgeschlagene Elektrodenanordnung eine weitere Reduzierung der Ansprechstoßspannung gegenüber den bisher bekannten Werten mit Zündstreifen erhalten. Bei dieser Ausführungsform eines Überspannungsabieiters arbeiten also in ein und derselben Gasentladungsstecke zwei galvanische Elektroden in Form der Elektroden 1 und 2 mit den Scheiben 6 und zwei kapazitiv angekoppelten Elektroden in Form der beiden Zündstreifen 5 wechselseitig miteinander. Die kapazitiv angekoppelten Zündstreifen 5 werden nur zur Zündung ausgenutzt, anschließend wird der Lichtbogen dann von den Elektroden mit den Scheiben übernommen. Die Zündstreifen 5 müssen hochohmig sein, damit sie sich nicht an der Hauptentladung, auch nicht an sogenannten Sekundärzündungen, beteiligen können.

Beim Herstellen der erfindungsgemäßen Überspannungsableiter wird zweckmäßig während der Anglasung der Elektroden 1, 2 an den mit mindestens einem Zündstreifen 5 versehenen rohrförmigen Isolierkörper 3 die Einschmelztemperatur so gewählt und die Elektroden 1, 2 gegen die Stirnseiten des Isolierkörpers 3 so gestaucht daß die Glasschicht 4 die für die kapazitive Ankopplung des Zündstreifens 5 an die Elektroden 1,2 vorgegebene Dicke aufweist

Für die Zündung einer Gasentladungsstrecke genügt ein Strom von 10 mA, der bereits durch einen Kondensator von 10 pF fließen kann, wenn die Spannungsänderungsgeschwindigkeit von 1 kV^s beträgt Bei den in der Praxis üblichen Abmessungen des Überspannungsabieiters beträgt die Wandstärke des Isolierkörpers 3 beispielsweise 0,7 mm. Hat die Glasschicht 4 eine Dielektrizitätskonstante von ε = 5, so ergibt sich bei vollkommen leitender Stirnfläche des Isolierkörpers 3 die notwendige Kapazität von 10 pF, wenn die Glasschicht 4 höchstens eine Stärke von 6 μπι hat Bei den Einschmelzprozessen der Knopfabieiter mit keramischem Isolierkörper 3 und einer Glasschicht 4 als Verbindungselement zwischen dem Isolierkörper 3 und der Elektrode 1,2 kann man sehr leicht durch Wahl der richtigen Einschmelztemperatur und Kraft beim Zusam-

mendrücken der Elektroden 1, 2 den vorgegebenen Abstand zwischen dem keramischen Isolierkörper 3 und den Elektroden 1, 2 einstellen. Der notwendige vakuumdichte Verschluß kommt auf der Außenseite des Isolierkörpers 3 mit der Glasschicht 4 zustande.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausfahrungsbeispiele beschränkt Beispielsweise ist es nicht notwendig, die gesamte Stirnfläche des Isolierkörpers 3 leitend mit dem Zündstrich S zu verbinden, da auch kleine Zündströme als 10 mA den Überspannungsableiter sicher zünden. Man kann mit zunehmender Kapazität, indem die Glasschicht 4 zwischen dem Isolierkörper 3 und den Elektroden 1, 2 entsprechend durch höheren Einschmelzdruck verringert wird, auch im Bereich niedriger Ansprechstoßspannungssteilheiten mit verringerten Ansprechspannungen rechnen. Da im allgemeinen die Zündstrichwiderstände größer als 10OkQ sind, ist die dielektrische Beanspruchung im Zündaugenblick minimal. Nach der Zündung vermindert sich die Spannung am Überspannungsableiter im allgemeinen auf die Bogenbrennspannung, so daß sie an den angekoppelten Kapazitäten nahezu verschwindet Neben der vorteilhaften Erhaltung der Elektrodenisolation von beispielsweise 10^ΙΟΩ auch bei innerer Bedampfung des Isolierkörpers 3 durch die kapazitive

ίο Ankopplung der Zündstreifen 5, die im Hinterraum gegen die Elektroden 1, 2 mit der eingeschmolzenen Glasschicht 4 isoliert sind, wird im Bereich der Ansprechgleichspannung und bei langsamen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten die Zündspannung ausschließlich von der Geometrie und den Eigenschaften der Elektroden 1,2 selbst bestimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Überspannungsableiter mit einem gasdichten Gehäuse, in dem Elektroden einander gegenflberstehen, die in die Stirnseiten eines rohrförmigen Isolierkörpers eingesetzt sind, auf dessen Innenseite sich mindestens ein Zündstreifen ausgehend von den Stirnseiten auf einem Teil der Rohrlänge zur Gegenelektrode hin erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündstreifen (5) über eine Glasschicht (4) kapazitiv an die einander gegenüberstehenden Elektroden (1, 2) angekoppelt ist.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, ts dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Elektroden (1, 2) mit Metallscheiben (6) versehen sind, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Oberfläche der Elektroden (t, 2) und daß der Abstand des Zündstreifens (5) zu den Metallscheiben (6) kleiner ist als der Abstand der beiden Metallscheiben (6) zueinander.

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündstreifen (5) aus einer Graphitsuspension besteht

4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündstreifen (5) aus einer Mischung aus niedrigschmelzendem Glaslot und einer Graphitsuspension besteht

5. Überspannungabieiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündstreifen (5) aus Graphit besteht

6. Verfahren zum Herstellen eines Überspannungsableiters nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während der Anglasung der Elektroden (1, 2 ) an den mit mindestens einem Zündstreifen (5) versehenen, rohrförmigen Isolierkörper (3) die Einschmelztemperatur so gewählt wird und die Elektroden (1, 2) gegen die Stirnseiten des Isolierkörpers (3) so gestaucht werden, daß die Glasschicht (4) die für die kapazitive Ankopplung des Streifens (5) an die Elektrode (1,2) vorgegebene Dicke aufweist

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