DE2641858A1

DE2641858A1 - Ueberspannungsschutz fuer fernmeldeleitungen u.dgl.

Info

Publication number: DE2641858A1
Application number: DE19762641858
Authority: DE
Inventors: Alexander George Gilberts
Original assignee: Reliable Electric Co
Current assignee: Reliable Electric Co
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-09-17
Publication date: 1977-03-24
Also published as: US4013927A; CA1073967A; FR2325216A1; BR7606203A; FR2325216B3; JPS5249439A

Description

RELIABLE ELECTRIC COMPANY, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Delaware, 11333 Addison Street, Franklin Park, Illinois 60131 (V.St.A.)

Überspannungsschutz für Fernmeldeleitungen u. dgl.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsschutz für Fernmeldeleitungen u. dgl., mit einem Gehäuse, mit zwei Elektroden, die durch ein isolierendes Abstandelement unter Bildung eines Spaltes voneinander getrennt sind, wobei die erste Elektrode von dem Abstandelement umgeben und mit einem Querende innerhalb desselben zurückgesetzt angeordnet ist, während die zweite Elektrode ein auf dem Abstandelement aufsitzendes, der ersten Elektrode zugekehrtes Querende aufweist, wobei der Spalt durch das Ausmaß der Zurücksetzung der ersten Elektrode innerhalb des isolierenden Abstandelementes bestimmt ist, und mit Halteeinrichtungen für Elektroden und Abstandelement im Gehäuse.

Derartige Überspannungsschutzeinrichtungen sollen Fern- »^! meldeleitungen u. dgl. für Überspannungszuständen schützen

KG/il

709812/0850

Aus den aus Kohle bestehenden Elektroden lösen sich bei wiederholten Funkenüberschlagen Partikel, die sich zwischen den Elektroden einnisten, zu Störgeräuschen führen oder die Leitung vollständig kurzschließen können.

Bei einem bekannten Überspannungsschutz der eingangs genannten Art ist ein Kompromiß erforderlich zwischen einer angemessenen Lebensdauer (d.h. Anzahl von Überschlagen) und einer ausreichend niedrigen Durchbruchspannung. Macht man den Lichtbogenspalt weiter, dann vermindert man das Risiko der Brückenbildung durch gelöste Kohlepartikel und erhöht so die Lebensdauer des Überspannungsschutzes. Es kann aber auch passieren, daß durch einen zu weiten Spalt die Durchbruchspannung über die zulässige Toleranzgrenze hinaus erhöht wird.

Nun ist es aus den US-Patentschriften 571,699 vom 17. November 1896 und 3,703,665 vom 21. November 1972 allgemein bekannt, die Stirnflächen von Kohleelektroden mit mehreren rechteckigen Plateaus und Rinnen zu versehen, um abgespaltene Partikel aus dem Lichtbogenspalt fortzublasen. Andererseits besteht die Erkenntnis, daß es für eine gegebene Elektrodengröße günstig ist, wenn nur eine einzige Oberfläche für die Lichtbogenentladung und eine Vertiefung bzw. ein Kanal zur Aufnahme der abgelösten Kohlepartikel vorhanden ist, wobei die Vertiefung die einzige Oberfläche vollständig einschließt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen Überspannungsschutz mit einem vollständig von einer Vertiefung oder einem Kanal umgebenen Plateau oder Vorsprung so auszubilden, daß er bei in vertretbaren Grenzen liegender Durchbruchspannung eine höhere Lebensdauer aufweist, daß sich seine Elektroden ohne Schwierigkeit in die bisher gefertigten

709812/0850

Typen einbauen lassen, und daß bei gegebener Elektrodengröße um die Mittelachse der Elektrode eine große vertiefte Zone vorhanden ist, die noch-genügend Oberfläche für die Lichtbogenentladung übrig läßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zweite Elektrode in dem Querende einen Kanal aufweist, der sich zur ersten Elektrode hin öffnet und ein nur vom Kanalboden hochstehendes einziges Plateau besitzt, dessen ebene Endoberfläche eine Seite des Lichtbogenspaltes bildet, symmetrisch relativ zur Mittelachse der zweiten Elektrode verläuft und vollständig von dem Kanal umgeben ist.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß ein zum Kanal gehöriges, zu beiden Seiten der Endoberfläche angeordnetes erstes Paar Seitenwände sich schräg in Richtung auf den Kanalboden öffnet und ein ebenfalls zum Kanal gehöriges zweites Paar Seitenwände in einem Abstand von der Endoberfläche und auf deren gegenüberliegenden Seiten sowie umfänglich zwischen dem ersten Seitenwandpaar angeordnet ist; daß axial von der Endoberfläche entfernte gegenüberliegende Flächen der zweiten Elektrode stumpfwinklig an das zweite Wändepaar herangeführt sind, so daß der Kanal zusammen mit dem zweiten Wändepaar und den Flächen einen Bezirk bildet, welcher das Plateau völlig umgibt und über ein Ende des isolierenden Abstandelementes hinweg einen Auslaß für Partikel bildet, die von den Elektroden in den Lichtbogenspalt ausbrechen; und daß dieser Teil des Querendes voneinander entfernte Kämme bildet, die klein sind im Vergleich zur ümfangserStreckung der zweiten Elektrode, so daß der Auslaß in einem überwiegenden Teil seiner Umfangserstreckung unversperrt ist.

709812/0850

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt im Verlauf der Mittelachse eines nachfolgend beschriebenen Überspannungsschutzes,

Fig. 2 eine maßstäblich vergrößerte Draufsicht auf eine erfindungsgemäß verbesserte Elektrode für den überspannungsschutz ,

Fig. 3 eine in Fig. 2 von links her gesehene Seitenansicht der Elektrode, und

Fig. 4 eine in Fig. 3 von rechts gesehene Seitenansicht der Elektrode.

Zu dem in der Zeichnung dargestellten und nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen überspannungsschutz 2 gehört ein kappenförmiges Gehäuse 4 aus Blech mit einem in einem Axialabstand von einer Endwand 7 nach außen herausgeformten Flansch 6. Unterhalb des Flansches ist in das Gehäuse 4 ein Gewinde eingearbeitet, und daran schließt sich in Richtung auf das offene Ende des Gehäuses 4 ein zylindrischer Mantel an.

Das Gehäuse 4 beinhaltet eine erste Elektrode 12 und in einem Abstand davon eine zweite Elektrode 14. Die erste Elektrode 12 ist verbunden mit und umgeben von einem Isolator 16 aus Keramik o. dgl., dessen obere ebene Endfläche einen Abstand einnimmt gegenüber einem oberen ebenen Querende 20 der Elektrode 12, so daß dieses Querende 20 vertieft im Isolator 16 untergebracht ist. Ferner ist die erste Elektrode 12 mittels eines geeigneten Klebers so mit dem einen Ende 22 des Isolators 16 fest verbunden, daß das rückseitige Elektrodenende durch das offene Ende des Gehäuses 4 nach außen vorsteht. Ferner ist der Durchmesser

709812/0850

der ersten Elektrode 12 etwas kleiner als der Innendurchmesser des Isolators 16 an von dessen Ende 22 entfernter Stelle, so daß ein Ringspalt 24 zwischen Elektrode 12 und Isolator-Innenwand gebildet wird.

Dem Querende 20 der ersten Elektrode 12 liegt in einem Abstand ein Querende der zweiten Elektrode 14 gegenüber; dieses Querende besitzt sich diametral gegenüberliegende tragende Kämme 26, 26, die sich über je einen Umfangsbogen erstrecken und die zweite Elektrode 14 gegenüber der Endfläche 18 des Isolators 16 abstützen. Rotationssymmetrisch zu einer Mittelachse 28 der Elektrode 14 liegt ein erhabenes Plateau 30, welches eine rotationssymmetrisch zur Mittelachse 28 liegende Endfläche 32 bildet. Endfläche 32 und Kämme 26 liegen in gleicher Ebene. Wenn dann also im montierten Zustand die Kämme 26 auf der Endfläche 18 aufliegen, wird ein innerer Lichtbogenspalt 33 gebildet, dessen Größe bestimmt ist durch die Versenkung der ersten Elektrode 12 innerhalb ihres Isolators 16. An der von den Kämmen 26 abgekehrten Rückseite der zweiten Elektrode 14 befindet sich eine Lötpille 34 in Form einer zylindrischen Metallscheibe. Lötpille 34, Elektroden 12, 14 und Isolator 16 werden innerhalb des Gehäuses 4 durch einen becherförmigen Käfig 38 gehalten, welcher mehrere mit Abständen über seinen Umfang verteilte federnde Finger 40 aufweist, die radial nach innen gedrückt werden, wenn der Käfig in den zylindrischen Mantel 10 eingesetzt ist (siehe Fig. 1). Das untere Ende jedes Fingers 40 ist zu einer V-förmigen Spitze 42 gebogen, und alle diese Spitzen 42 zusammen begrenzen und halten die Überspannungsschutz-Elemente in dem Käfig 38. Bei der Montage kann man also zunächst die Lötpille 34, die Elektroden 12 und 14 sowie den Isolator in den Käfig einsetzen und dann den montierten Käfig als Baugruppe axial in den Mantel 10 einsetzen. Eine Druck-

709812/0850

feder 44 ist zwischen der Endwand 7 des Gehäuses 4 einerseits und dem geschlossenen flachen Ende des Käfigs 38 andererseits mit Vorspannung eingesetzt.

Der montierte Überspannungsschutz 2 ist in eine Ausnehmung 46 eines Isclierblockes 48 eingesetzt. Das obere Ende der Ausnehmung 46 bildet eine metallische Kontaktplatte 50 mit einem nach innen ragenden Halsabschnitt 52, in dessen Innengewinde das Gewinde 8 des Gehäuses 4 eingeschraubt ist. Das Halsabschnitt-Innengewinde setzt sich im Oberteil der Ausnehmung 46 fort, so daß man das Gehäuse 4 so weit einschrauben kann, bis sein Flansch 6 auf der Kontaktplatte 50 zur Anlage kommt. Am Boden der Ausnehmung 46 befindet sich ein metallischer Kontaktknopf 54, welcher die Elektrode 12 berührt. Die Vorspannung der Druckfeder 44 hält die Elektrode 12 fest im Kontakt mit dem Knopf 54. Beim fertig montierten Gerät ist beispielsweise die Kontaktplatte 50 über einen Verdrahtungsstift oder eine andere geeignete Leitung mit Masse verbunden, während der Kontaktknopf 54 in entsprechender Weise mit einer zu schützenden Telefonleitung verbunden ist, oder umgekehrt. Der in Fig. 1 dargestellte, im Isolierblock untergebrachte Überspannungsschutz 2 kann in beliebiger Lage montiert werden, da es gleichgültig ist, ob der Lichtbogenspalt 33 horizontal, vertikal oder in anderer Ausrichtung liegt. Ferner ist es möglich, die aus den beiden Elektroden 12 und 14 sowie dem Isolator 16 bestehende Elektrodenanordnung in beliebige andere Überspannungsschutz-Typen einzusetzen, beispielsweise in den aus US-PS 3,794,947 bekannten Überspannungsschutz für Fernmeldeämter.

Sobald in der zu schützenden Leitung eine die Durchbruchspannung des Überspannungsschutzes übersteigende Spannung auftritt, baut sich am Spalt 33 ein Lichtbogen auf, und es

709812/0850

fließt ein Strom von der Leitung zur Erde. Der Überspannungsschutz ist selbstheilend, man braucht daher nach einem Überschlag nichts zu unternehmen, um das Gerät für erneute Überschläge am Spalt 33 aufgrund nachfolgender Überspannungszustände in Bereitschaft zu bringen. Bei wiederholten Überschlägen können sich jedoch Auswüchse aus den Elektroden bilden, welche die Betrxebslebensdauer des Gerätes reduzieren. Aus diesem Grunde ist die Elektrode 14 der Elektrodenanordnung erfindungsgemäß gegenüber dem Stand der Technik verbessert worden.

Aus den Fig. 2-4 läßt sich entnehmen, daß die Elektrode eine zylindrische Außenoberfläche 55 und ein neuartiges Querende aufweist, welches der Elektrode 12 zugekehrt ist. Neuartig an der Elektrode 14 sind gegenüberliegende Kanalabschnitte 56,56, die bei gleichen Umfangsabmessungen sich zwischen dem Plateau 30 und den Abstands-Kämmen 26,26 erstrecken. Diese Kanalabschnitte 56 werden gebildet durch ein erstes Paar konischer Wände 58,58, die auf gegenüberliegenden Seiten der Endfläche 32 liegen und von dort schräg zum Boden der Kanalfläche verlaufen. Diese Wände enden mit ihrem Übergang in radial verlaufenden Innenoberflächen 60,60 der Kämme 26. Außerdem gehört zu dieser Kanalkonfiguration ein zweites Paar Wände 62,62 auf entgegengesetzten Seiten und in einem Abstand von der Endfläche 32. Bezogen auf den Umfang liegen die Wände 52,62 jeweils zwischen dem ersten Paar Wände 58,58. Am besten zeigt Fig. 2, daß die Wände 62 etwa einen dreieckigen Umriß haben und kurz vor der Endfläche 32 abschließen. Schließlich gehören zu der Kanalkonfiguration noch entgegengesetzt angeordnete Flächen 64,64 in einem Axialabstand von der Endfläche 32, die in Fig. 2 wie Kreisabschnitte aussehen. Jede der Wände 62 geht stumpfwinklig in die angrenzende Fläche 64 über.

709812/0850

Daraus ergibt sich, daß die Endfläche 32 vollständig von der Kanalkonfiguration umgeben ist. Bei der Herstellung der Elektrode 14 kann der Kohlenstoff so geformt werden, daß er ein Zentralplateau 30 sowie eine der Fläche 58 entsprechende konische Oberfläche über 360° hinweg und ferner die Kämme 26 aufweist, die sich ebenfalls zunächst über 360° erstrecken. Dann wird diese Roh-Elektrode an zwei Stellen so geschliffen, daß die Flächen 64, die Wände 62 und ebenfalls die schrägen Übergangsabschnitte 66 gebildet werden, welche in Umfangsrichtung von den Kämmen 26 abgekehrt sind. Somit sind die Abschnitte 66 koplanar mit den Oberflächen 62.

Bei einer gebrauchsfertigen Elektrode 14 kann der Gesamtdurchmesser der Zylinderoberfläche 55 etwa 8 mm (0,315 Zoll) und der Durchmesser der Endfläche 32 etwa 1,6 mm (0,062 Zoll) betragen. Ferner ist jeder Kamm 26 etwa 1 mm breit und in Umfangsrichtung etwa 1,8 mm lang. Der in Fig. 3 dargestellte Winkel 70 zwischen Endfläche 32 und konischer Wand 58 beträgt etwa 30°, während der Winkel 72 (Fig. 4) zwischen Endfläche 32 und Wand 62 (angenommen, letztere reicht bis dort hin) etwa 45° beträgt. Typisch für die Flächenausdehnung der Endfläche 32, welche das Spannungsüberschlagsgebiet repräsentiert, ist ein zwischen 0,003019 Quadratzoll bis 0,004778 Quadratzoll liegender Flächenbereich

2
(nach unserer Rechnung 1,8 - 3 mm ). Der Linearabstand zwischen gegenüberliegenden Umfangsenden jedes Kammes beträgt etwa 2 mm. Typisch für die von den beiden Kämmen 26,26 eingenommene Gesamtfläche ist ferner ein zwischen 0,00511 Quadratzoll bis etwa 0,00792 Quadratzoll liegender Flächen-

2 *- bereich (nach unserer Rechnung etwa 3,2 bis 5 mm ).

Somit hat die erfindungsgemäße Kanalkonfiguration Wände, die so geformt sind, daß sie einen Ausweg zwischen den

709812/0850

Elektroden 12 und 14 und über die Isolator-Endfläche 18 bilden, welche fast über den Gesamtumfang dieser Endfläche 18 reicht, mit Ausnahme der Zonen, wo die Kämme auf der Endfläche 18 aufliegen.

Zusammengefaßt betrifft die Erfindung einen überspannungsschutz für Fernmeldeleitungen u. dgl. mit gegenüberliegenden Kohleelektroden, die durch ein isolierendes Abstandselement voneinander getrennt sind, welches die eine Elektrode beherbergt und so ausgebildet ist, daß die Elektroden unter Bildung eines Lichtbogenspaltes zwischen sich voneinander getrennt sind. Die andere Elektrode besitzt ein rundes Plateau mit einer ebenen Endfläche, welche die eine Seite des Lichtbogenspaltes bildet. Das Plateau ist umgeben von einem Kanal, welcher einen maximalen Freiraum für Kohlepartikel bildet, die bei Entladungen von den Elektroden herausgelöst werden. Der Freiraum wird benutzt für das Auslassen herausgelöster Partikel über das Ende des Abstandselementes hinweg, und dadurch wird die Betriebslebensdauer des Überspannungsschutzes vergrößert.

709812/0850

Leerseite

Claims

Ansprüche

/ 1. I Überspannungsschutz für Fernmeldeleitungen u. dgl., Vjait einem Gehäuse, mit zwei Elektroden, die durch ein isolierendes Abstandselement unter Bildung eines Spaltes voneinander getrennt sind, wobei die erste Elektrode von dem AbStandselement umgeben und mit einem Querende innerhalb desselbt a zurückgesetzt angeordnet ist, während die zweite Elektrode ein auf dem Abstandselement aufsitzendes, der ersten Elektrode zugekehrtes Querende aufweist, wobei der Spalt durch das Ausmaß der Zurücksetzung der ersten Elektrode innerhalb des isolierenden Abstandselementes bestimmt ist, und mit Halteeinrichtungen für Elektroden und Abstandselement im Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (14) in dem Querende einen Kanal (58, 60) aufweist, der sich zur ersten Elektrode (12) hin öffnet und ein nur vom Kanalboden hochstehendes einziges Plateau (30) besitzt, dessen ebene Endoberfläche (32) die eine Seite des Lichtbogenspaltes (33) bildet, symmetrisch zur Mittelachse (28) der zweiten Elektrode verläuft und vollständig von dem Kanal umgeben ist.
2. Überspannungsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal Wände (58, 60, 62) besitzt, welche so gestaltet sind, daß ein Auslaß zwischen den Elektroden. (12, 14) und über die Endfläche gebildet wird, die fast über den Gesamtumfang der Endfläche mit Ausnahme der entgegengesetzten Bereiche (26, 26) reicht, wo die zweite Elektrode (14) an der Endfläche (18) anliegt.

709812/0850

INSPECTED
3. Überspannungsschutz nach Anspruch 1, bei dem die zweite Elektrode ein der ersten Elektrode zugekehrtes Teil eines Querendes aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zu dem Kanal gehöriges, zu beiden Seiten der Endoberfläche (32) angeordnetes erstes Paar Seitenwände (58) schräg zum Boden des Kanals verläuft, während ein ebenfalls zum Kanal gehöriges zweites Paar Seitenwände (62) auf entyugengesetzten Seiten und in einem Abstand von der Endfläche (32) umfangsbezogen zwischen dem ersten Seitenwandpaar liegt und stumpfwinklig in entgegengesetzte Flächen (64) der zweiten Elektrode übergeht, die in einem Axialabstand von der Endfläche (32) liegen; daß der Kanal zusammen mit dem zweiten Seitenwandpaar sowie den Flächen einen Bezirk bildet, welcher das Plateau (30) völlig umgibt und über ein Ende (18) des isolierenden Abstandselementes (16) hinweg einen Auslaß für Partikel bildet, welche von den Elektroden (12, 14) in den Lichtbogenspalt (33) austreten; und daß dieser Teil des Querendes der zweiten Elektrode Kämme (26) bildet, die klein sind im Vergleich zur Umfangserstreckung der zweiten Elektrode, so daß der Auslaß in einem überwiegenden Teil seiner Umfangserstreckung unversperrt ist.
4. Überspannungsschutz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des einen Paares (62) gegenüber der Endfläche (18) einen größeren Winkel (72) bilden als die Wände (58) des anderen Paares.
5. Überspannungsschutz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Seitenwand (62) des zweiten Paares eben ausgebildet ist und die Seitenwände (58) des ersten Paares schneidet,, welche konisch geformt sind.
6. Überspannungsschutz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (64) Kreissegmente sind.

709812/0850