DE2639816A1

DE2639816A1 - Gas discharge surge arrester in button housing - using electrodes coated with paste contg. a semiconducting cpd.

Info

Publication number: DE2639816A1
Application number: DE19762639816
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Knapp; Gerhard Lange
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-03
Filing date: 1976-09-03
Publication date: 1978-03-16

Abstract

Gas discharge surge arrester, uses a gas-filled housing, pref. employing a noble gas. In the housing are two electrodes; and the working end of at least one electrode is coated with a mixt. applied as a paste. The coating contains metal; has high electron emission; and contains at least one semiconducting metal cpd. (1). Cpd. (1) is pref. n-type, and is selected from either (a) the oxides, nitrides, and/or sulphides of Ba, Sr, Ca, Ti, Zr, Hf, Bi, Zn, V, Fe, or their mixts.; or (b) the oxides of Cu, Ni, Mn, Mg, Al, Si, Th, B, or their mixts. The esp. pref. coating contains 0.2-60 wt.% BaO, partic. 5% BaO with grain size 0.2-60 mu m. High response speed to low surge voltages, and long working life during which the electrical properties of the device remain constant, provide the paste is pref. applied using an inert liq., esp. alcohol or dibromoethane.

Description

Casentladuns-tfberspannungsableiterCasentladun surge arrester

Die Erfindung betrifft einen Gasentladungs-Uberspannungsableiter mit einem gasdichten Gehäuse, vorzugsweise mit Edelgasfüllung, in dem einander Elektroden gegenüberstehen, von denen zumindest eine Elektrode auf ihrer Stirnseite eine als pastenförmige Mischung aufgebrachte, Metall enthaltende Schicht hoher Elektronenemissionsfähigkeit aufweist.The invention relates to a gas discharge surge arrester a gas-tight housing, preferably with a noble gas filling, in which electrodes are attached to each other oppose, of which at least one electrode on its front side as a A metal-containing layer of high electron emissivity applied in a paste-like mixture having.

Gasentladungs-tJberspannungsableiter mit einem gasdichten Gehäuse, vorzugsweise mit Edelgasçüllung, in dem einander Elektroden gegenüberstehen, von denen zumindest eine Elektrode auf ihrer Stirnseite eine Alkalimetall enthaltende Schicht hoher thermischer Emissionsfähigkeit aufweist, die als zusätzlichen Bestandteil Titan enthält, wobei die Bestandteile der Schicht als pastenförmige Mischung eines Alkalihalogenids mit Titanhydrid auf die Elektroden aufgebracht sind, sind bereits bekannt (DT-OS 1 951 601).Gas discharge surge arrester with a gas-tight housing, preferably with noble gas filling, in which electrodes face each other, of which at least one electrode containing an alkali metal on its end face Has layer of high thermal emissivity, which is an additional component Contains titanium, the components of the layer as a paste-like mixture of a Alkali halide with titanium hydride are applied to the electrodes are already known (DT-OS 1 951 601).

Weiterhin sind bereits Gasentladungs-Uberspannungsableiter bekannt, bei denen zumindest eine Elektrode auf ihrer Stirnseite eine Schicht mit einer Substanz hoher Elektronenemissionsfähigkeit, vorzugsweise Barium, aufweist, die als zusätzlichen Bestandteil Aluminium enthält, wobei sämtliche Bestandteile der Schicht als Legierung verbunden sind (DT-OS 1 950 090).Furthermore, gas discharge surge arresters are already known, in which at least one electrode has a layer with a substance on its end face high electron emissivity, preferably barium, which as additional Component contains aluminum, with all components of the layer as an alloy connected (DT-OS 1 950 090).

Es ist ferner bekannt, für die Elektrodenaktivieruñgsschichx als Substanz hoher thermischer Elektronenemissionsfähigkeit Thoriumoxid und als zusätzlichen Bestandteil Nickel zu verwenden und sämtliche Bestandteile der Schicht als pulverförmige Mischung auf die Elektrode aufzusintern (DT-OS 1 935 734).It is also known for the electrode activation layer as a substance high thermal electron emissivity and thorium oxide as an additional Component of nickel to use and all components of the layer as powder Sinter the mixture onto the electrode (DT-OS 1 935 734).

Für Gasentladungsröhren mit niedriger Ansprechspannung benötigt man Kaltkathoden mit geringer Elektronenaustrittsarbeit. Die Elektroden sind deshalb mit einer Aktivierungsschicht versehen und zeichnen sich im allgemeinen auch durch einen niedrigen Lichtbogen-Übergang aus, so daß bei stromstarken Entladungen die Verlustenergie in der Gasentladungsröhre klein bleibt. Die auf die Elektroden als pastenförmige Mischungen aufgebrachten Schichten bestehen im allgemeinen aus Alkali- und Erdalkaliverbindungen und müssen thermisch behandelt werden, so daß freie Alkali- oder Erdalkalimetalle entstehen, die die gewünschte niedrige Elektronenaustrittsarbeit gewährleisten.For gas discharge tubes with a low response voltage you need Cold cathodes with low electron work function. The electrodes are therefore provided with an activation layer and are generally also characterized by a low arc transition, so that in the case of high-current discharges the Energy loss in the gas discharge tube remains small. The ones on the electrodes as Pasty mixtures applied layers generally consist of alkali and alkaline earth compounds and must be thermally treated so that free alkali or alkaline earth metals are formed, which have the desired low electron work function guarantee.

Gasentladungs-Uberspannungsableiter sollen bei steil ansteigendem Spannungsverlauf früh zünden, um für das gesamte Anwendungsspektrum einen niedrigen Schutzpegel zu erreichen. Durch die zunehmende Verwendung von Halbleiterbauelementen, die nur geringe Überspannungsfestigkeit aufweisen, wird die weitere Herabsetzung der Ansprechstoßspannung zwingend erforderlich.Gas discharge surge arresters should rise steeply Ignite the voltage curve early in order to achieve a low one for the entire range of applications To achieve protection level. Due to the increasing use of semiconductor components, which have only low overvoltage resistance, the further reduction the response surge voltage is absolutely necessary.

Zur Herabsetzung der Ansprechstoßspannung wurden bisher im wesentlichen folgende Verfahren angewendet: Zum einen verwendet man Zündhilfen, z.B. in Form eines sogenannten Zündstriches, d.h. eines Streifens aus elektrisch leitfähigem Material, der sich auf der Innenfläche des Isolierkörpers in Richtung von der einen Elektrode zur anderen erstreckt. Zum anderen erreicht man eine starke Vorionisation der Gasfüllung des Ableiters durch die Verwendung radioaktiver Stoffe. Darüber hinaus ist man bestrebt, durch die konstruktive Ausbildung der Ableiter große Feldstärken im Entladungsbereich zu schaffen. Dies geschieht z.B.To reduce the response surge voltage were previously essentially The following procedures are used: On the one hand, ignition aids are used, e.g. in the form of a so-called ignition line, i.e. a strip of electrically conductive Material that is on the inner surface of the insulator in the direction of the one Electrode extends to the other. On the other hand, a strong pre-ionization is achieved the gas filling of the arrester through the use of radioactive substances. Furthermore the aim is to achieve high field strengths through the design of the arrester to create in the discharge area. This happens e.g.

dadurch, daß man die Elektrodenränder scharfkantig ausbildet.by making the electrode edges sharp.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasentladungs-ttberspannungsableiter zu schaffen, der sich durch eine niedrige Ansprechstoßspannung, hohe Ansprechgeschwindigkeit und hohe Lebensdauer bei gleichbleibenden elektrischen Eigenschaften auszeichnet.The invention is based on the object of a gas discharge surge arrester to create, which is characterized by a low response surge voltage, high response speed and long service life with constant electrical properties.

Diese Aufgabe wird bei einem Gasentladungs-Überspannungsableiter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schicht hoher Elektronenemissionsfähigkeit zumindest eine halbleitende Metallverbindung enthält. Die halbleitende Metallverbindung ist dabei vorzugsweise n-leitend.This task is performed in a gas discharge surge arrester initially mentioned type solved according to the invention in that the layer of high electron emissivity contains at least one semiconducting metal compound. The semiconducting metal compound is preferably n-conductive.

Bevorzugt enthält die Schicht hoher Elektronenemissionsfähigkeit als halbleitende Metallverbindung(en) Oxide, Nitride und/oder Sulfide von Barium, Strontium, Kalzium, Titan, Zirkon, Hafnium, Wismut, Zink, Vanadium, Eisen einzeln oder Mischungen aus diesen. Insbesondere wird Bariumoxid aufgrund des großen Einflusses auf die Ansprechstoßspannung mit einer Korngröße zwischen 0,2 und 60 um bevorzugt verwendet, wobei der Gewichtsanteil in der Schicht hoher Elektronenemissionsfähigkeit 0,2 bis 60 Gew. 96, vorzugsweise 5 Gew. % beträgt.Preferably, the high electron emissivity layer contains as semiconducting metal compound (s) oxides, nitrides and / or sulfides of barium, strontium, Calcium, titanium, zirconium, hafnium, bismuth, zinc, vanadium, iron individually or mixtures from these. In particular, barium oxide is used because of its great influence on the Response impulse voltage with a grain size between 0.2 and 60 μm is preferably used, wherein the weight fraction in the high electron emissivity layer is 0.2 to 60 wt. 96, preferably 5 wt.%.

Weitere besonders geeignete Materialien für die Schicht hoher Elektronenemissionsfähigkeit sind Kupferoxid, Nickeloxid, Manganoxid, Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Thoriumoxid, Boroxid einzeln oder Mischungen aus diesen.Further particularly suitable materials for the layer of high electron emissivity are copper oxide, nickel oxide, manganese oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, Thorium oxide, boron oxide individually or mixtures of these.

Die Bestandteile der Schicht sind zweckmäßig als Pulver in einer chemisch inaktiven Flüssigkeit pastenförmig vermengt auf die Elektroden aufgebracht. Als Flüssigkeit eignen sich organische Lösungsmittel mit hohem Dampfdruck, insbesondere Alkohol oder Dibromäthan.The components of the layer are expediently as a powder in a chemical inactive liquid mixed in paste form and applied to the electrodes. as Liquid, organic solvents with high vapor pressure are particularly suitable Alcohol or dibromoethane.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß durch den Zusatz von mindestens einer halbleitenden Metallverbindung zu den bekannten Elektrodenaktivierungsmassen aufgrund der hohen Elektronendichte und der geringen Austrittsarbeit des Materials die Ansprechgeschwindigkeit bei erniedrigter Ansprechstoßspannung des Gasentladungs-Uberspannungsableiters wesentlich reduziert ist, da diese von der Elektronenbefreiung in der Elektrodenaktivierungsmasse abhängig ist.The advantage achieved by the invention is that by the Addition of at least one semiconducting metal compound to the known electrode activation compounds due to the high electron density and the low work function of the material the response speed in the event of a reduced response surge voltage of the gas discharge surge arrester is significantly reduced, as this is affected by the liberation of electrons in the electrode activation compound is dependent.

Die erfindungsgemäße Schicht hoher ElektronenemisstonsåSi'gieit ist besonders gut bei Elektroden anbringbar, die auf ihren einander zugekehrten Stirnseiten mit einem metallischen Ring versehen sind, der die Elektroden zu Hohlelektroden macht. Bei Gasentladungs-Uberspannungsableitern mit derartigen Hohlelektroden wird die Aktivierungsschicht in der Hohlkehle zwischen Elektrodeninnenfläche und metallischem Ring bevorratet und garantiert so eine besonders gute Haftfestigkeit und damit lange Lebensdauer des Gasentladungs-Uberspannungsableiters. Die Elektrodenaktivierungsschicht ist auch bei Überspannungsableitern mit Kupferelektroden gut anbringbar, wenn die hohle Elektrodenform vorher durch einen Ziehvorgang gebildet worden ist.The high electron emission layer according to the invention is Si'gieit particularly easy to attach to electrodes on their facing end faces are provided with a metallic ring that turns the electrodes into hollow electrodes power. In the case of gas discharge surge arresters with such hollow electrodes the activation layer in the groove between the inner surface of the electrode and the metal Ring in stock and thus guarantees particularly good adhesion and thus for a long time Service life of the gas discharge surge arrester. The electrode activation layer can also be easily attached to surge arresters with copper electrodes if the hollow electrode shape has been previously formed by a drawing process.

Von weiterem Vorteil ist, daß unter der Voraussetzung, daß bei dem Uberspannungsableiter eine geeignete Elektrodenanordnung in der Kombination mit Zündstrichen oder hoher radioaktiver Vorionisation der Gasfüllung gewählt wird, mit dem Zusatz mindestens einer halbleitenden Metallverbindung zur Elektrodenaktivierungsmasse die Ansprechstoßspannung des Uberspannungsableiters darüber hinaus weiter gesenkt werden kann.Another advantage is that, provided that the Surge arrester a suitable electrode arrangement in combination with Ignition lines or high radioactive pre-ionization of the gas filling is selected, with the addition of at least one semiconducting metal compound to the electrode activation compound the surge voltage of the surge arrester is further reduced can be.

An Hand der Figuren der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden. Es zeigt: Fig. 1 einen Längs schnitt durch einen Gasentladungs-Uberspannungsableiter gemäß der Erfindung und Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen weiteren Gas entladungs-Ub erspannungsableiter gemäß der Erfindung.With reference to the figures of the drawing, the invention is to be used below further features are explained in more detail. It shows: Fig. 1 is a longitudinal section by a gas discharge surge arrester according to the invention and FIG. 2 a Longitudinal section through a further gas discharge surge arrester according to FIG Invention.

Der in Fig. 1 dargestellte Gasentladungs-Uberspannungsableiter wird aufgrund seiner Form, die besonders kleine Abmessungen des Ableiters gestattet, auch Knopfableiter genannt. Dieser Knopfableiter weist zwei kegelstumpfförmige Elektroden 2, 3 auf, die mit einander zugekehrten Auswölbungen in einem rohrförmigen Isolierkörper 1 gasdicht eingesetzt sind. Als Werkstoff für den Isolierkörper 1 dient vorzugsweise Glas oder Keramik, während die Elektroden 2, 3 beispielsweise aus Kupfer oder einer Ni-Fe- bzw. Ni-Fe-Co-Legierung bestehen. Auf die einander gegenüberliegenden Elektroden 2, 3 ist 3eweils eine Schicht 4 hoher Elektronenemissionsfähigkeit aufgebracht, die zumindest eine halbleitende Metallverbindung enthält.The gas discharge surge arrester shown in Fig. 1 is due to its shape, which allows particularly small dimensions of the arrester, also called button arrester. This button arrester has two frustoconical electrodes 2, 3, the facing bulges in a tubular insulating body 1 are inserted gas-tight. The material for the insulating body 1 is preferably used Glass or ceramic, while the electrodes 2, 3, for example, made of copper or a Ni-Fe or Ni-Fe-Co alloy exist. On the opposing electrodes 2, 3 a layer 4 of high electron emissivity is applied in each case, the contains at least one semiconducting metal compound.

Die Schicht 4 wird bei dem Einschmelzvorgang in den waffelförmigen Vertiefungen 7 der Elektroden 2, 3 verankert.The layer 4 is in the melting process in the waffle-shaped Wells 7 of the electrodes 2, 3 anchored.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Gasentladungs-Uberspannungsebleiter sind die Elektroden 2, 3 wiederum kegelstumpfförmig ausgebildet und mit ihren einander zugekehrten Stirnflächen in die Enden eines rohrförmigen Isolierkörpers 1 über eine Glas einbettung 6 gasdicht eingesetzt. Das von den Elektroden 2, 3 und dem Isolierkörper 1 gebildete Gehäuse ist vorzugsweise mit Edelgas gefüllt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 2, 3 auf ihren einander zugekehrten Oberflächen mit einem metallischen Ring 5 versehen, der die Elektroden 2, 3 zu Hohlelektroden macht. Auf die Elektroden 2, 3 mit dem vorzugsweise aufgeschweißten und aus Eisen bestehenden Ring 5 ist die Schicht 4 aus dem Material hoher Elektronenemissionsfähigkeit in der Hohlkehle zwischen Elektrodenoberfläche und metallischem Ring aufgebracht. Die Aktivierungsschicht 4 kann aufgrund des innerhalb des metallischen Ringes 5 gebildeten Hohlraums in großer Menge bei zugleich guter Haftung aufgetragen werden. Man erreicht damit eine Vorratskathodeneigenschaft der beiden mit dem Ring 5 versehenen Elektroden 2, 3. Die Haftung der Aktivierungsschicht 4 läßt sich auch hier noch erhöhen, wenn die Elektroden 2, 3 auf ihrer aktiven Oberfläche mit einer nicht dargestellten Waffelung versehen sind, die zur Aufnahme der Schicht 4 dient. Dieses Ausführungsbeispiel hat außerdem den Vorteil, daß sich das Gasvolumen im Arbeitsspalt leichter ausdehnen kann, so daß der Isolierkörper 1 des gasdichten Gehäuses durch innere Druckwellen auch bei hohen Stromstoßbelastungen des Uberspannungsableiters praktisch nicht gefährdet ist. Gestaltet man den Ring 5 an seiner oberen Außenkante scharfkantig, zuhält man eine weitere Zündspannungserniedrigung, weil durch die scharfen Kanten die elektrischen Feldlinien verdichtet und damit die elektrische Feldstärke im Bereich der Elektroden 2, 3 erhöht wird.In the gas discharge surge arrester shown in FIG the electrodes 2, 3 are in turn frustoconical and with each other facing end faces in the ends of a tubular insulating body 1 via a Glass embedding 6 inserted gas-tight. That of the electrodes 2, 3 and the insulating body 1 formed housing is preferably filled with noble gas. In this embodiment are the electrodes 2, 3 on their facing surfaces with a metallic Ring 5 is provided, which makes the electrodes 2, 3 hollow electrodes. On the electrodes 2, 3 with the preferably welded-on and made of iron ring 5 is the Layer 4 of the high electron emissivity material in the groove between Electrode surface and metallic ring applied. The activation layer 4 can be due to the cavity formed within the metallic ring 5 in large amounts can be applied with good adhesion at the same time. One achieves one with it Storage cathode property of the two electrodes 2, 3 provided with the ring 5. The adhesion of the activation layer 4 can also be increased here if the Electrodes 2, 3 on their active surface with a waffle (not shown) are provided, which is used to receive the layer 4. This embodiment also has the advantage that the gas volume in the working gap can expand more easily can, so that the insulating body 1 of the gas-tight housing by internal pressure waves practically not endangered even with high current surge loads of the surge arrester is. If you make the ring 5 sharp-edged on its upper outer edge, you hold it shut a further lowering of the ignition voltage, because the sharp edges reduce the electrical Field lines condensed and thus the electric field strength in the area of the electrodes 2, 3 is increased.

Die Erfindung ist auf die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Die Elektroden müssen nicht unbedingt kegelstumpfförmig sein. Sie können auch beispielsweise kappen- oder zylinderförmig sein. Die erfindungsgemäße Elektrodenaktivierungsschicht läßt sich vorteilhaft auch bei Zweistrecken-Uberspannungsableitern verwenden, bei denen in die von den beiden Elektroden begrenzte Entladungsstrecke eine gelochte Ringelelektrode hineinragt, so daß dann mit dieser und den beiden Elektroden zwei Entladungsstrecken gebildet sind. Auch hier können sowohl die beiden Elektroden als auch die zusätzliche Ringelelektrode mit metallischen Ringen versehen sein, die diese Elektroden zu Hohl- bzw. Vorratskathoden machen, die zur Aufnahme größerer Mengen an Elektrodenaktivierungsmaterial fähig sind. Schließlich ist die Schicht aus Elektrodenaktivierungsmaterial auch bei über eine Steuerelektrode getriggerten Gasentladungsröhren, sogenannten Kaltkathodenthyratrons, mit Vorteil verwendbar.The invention is not limited to the illustrated embodiments limited. The electrodes do not necessarily have to be frustoconical. You can also be cap-shaped or cylindrical, for example. The electrode activation layer according to the invention let yourself also advantageous for two-line surge arresters use where in the discharge path delimited by the two electrodes a perforated ring electrode protrudes, so that then with this and the two Electrodes two discharge paths are formed. Here, too, both The electrodes and the additional ring electrode are provided with metallic rings be that make these electrodes into hollow or storage cathodes that are used for recording are capable of larger amounts of electrode activation material. After all, that is Layer of electrode activation material even when triggered via a control electrode Gas discharge tubes, so-called cold cathode thyratrons, can be used with advantage.

Das Aufbringen und Anordnen der Schicht geschieht in der gleichen Weise wie bei den in den Figuren dargestellten Gasentladungs-0berspannungsableitern. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß bei diesen Kaltkathodenthyratrons der von den Elektroden begrenzte Entladungsraum zusätzlich von außen über eine in Höhe des Entladungsraums um den Isolierkörper herumgelegte Steuerelektrode, beispielsweise in Form eines Metalldrahtes oder -bandes, beeinfluß-bzw. steuerbar ist.The layer is applied and arranged in the same way As with the gas discharge surge arresters shown in the figures. The only difference is that with these cold cathode thyratrons the Discharge space delimited by the electrodes additionally from the outside over a height of the discharge space around the insulating body around the control electrode, for example in the form of a metal wire or band, influencing or. is controllable.

6 Patentansprüche, 2 Figuren.6 claims, 2 figures.

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Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e-11.> Gas discharge surge arrester with a gas-filled housing, preferably with noble gas filling, in which each other Opposite electrodes, of which at least one electrode = on their end face a metal-containing layer of high electron emissivity applied as a paste-like mixture has that the layer (4) is higher Electron emissivity contains at least one semiconducting metal compound.

2. Gas discharge surge arrester according to claim 1, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that the semiconducting metal connection is n-conductive is.

3. Gas discharge surge arrester according to claim 1 or 2, d it is noted that the layer (4) of high electron emissivity as semiconducting metal compound (s) oxides, nitrides and / or sulfides of barium, Strontium, calcium, titanium, zirconium, hafnium, bismuth, zinc, vanadium, iron individually or mixtures of these.

4. gas discharge surge arrester according to claim 1 or 2, d it is noted that the layer (4) of high electron emissivity Copper oxide, nickel oxide, manganese oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, Contains thorium oxide, boron oxide individually or mixtures thereof.

5. Gas discharge surge arrester according to one of claims 1 to L d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that the layer (4) barium oxide with a grain size between 0.2 and 60 / µm and that the barium oxide content 0.2 to 60 wt. 96.

6. gas discharge surge arrester according to claim 5, d a d u r It is noted that the barium oxide content is 5% by weight.