DE4236538A1 - Gekapselte Funkenstrecke - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bau­ elemente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung ge­ kapselter Funkenstrecken anzuwenden, die zur Ableitung von Überspannungen dienen. Derartige Funkenstrecken kommen insbesondere in Kombination mit gasgefüllten Über­ spannungsableitern zur Anwendung, wobei die gekapselte Funkenstrecke elektrisch parallel zu dem gasgefüllten Überspannungsableiter geschaltet ist und in aller Regel als Luftfunkenstrecke ausgebildet ist.

Bei einer bekannten gekapselten Funkenstrecke zur Ableitung von Überspannungen stehen zwei kreisförmig ausgebildete, kupferhaltige Elektroden einander gegenüber und werden mittels spezieller Abstandhalter sowie unter Zwischenschaltung einer dünnen Isolierschicht aus Glimmer, Glas oder Keramik gegeneinander isoliert. Die Isolier­ schicht ist im Bereich der sich gegenüberstehenden Elektrodenflächen mit einer kreisförmigen Ausnehmung ver­ sehen, so daß zwischen den Elektroden ein Luftspalt bzw. ein Gasspalt vorhanden ist. Die beiden Elektroden, deren Elektrodenflächen mit Graphit oder Carbon beschichtet sind, sind im Außenbereich vakuumdicht miteinander verbun­ den. Hierzu kann u. a. ein rohrförmiger, aus Keramik, Glas oder Plastik bestehender Isolator verwendet werden, der mit den äußeren Mantelflächen der Elektroden vakuum­ dicht verbunden ist (US-PS 3,898,533, Fig. 3).

In Kombination mit einem gasgefüllten Überspannungsab­ leiter ist eine nicht gekapselte Funkenstrecke bekannt, bei der an einer mehrfach gelochten Keramikscheibe beidseits zwei Elektroden anliegen, von denen die eine mit noppenartigen Erhebungen versehen ist, welche in die Löcher der Keramikscheibe eingreifen. Die eigentliche Luftfunkenstrecke wird dabei jeweils von einer Noppe und der ebenen Gegenelektrode gebildet (US-PS 4,366,412). - Es ist weiterhin bekannt, für solche Luftfunkenstrecken eine mehrfach gelochte Glimmerfolie als Abstandhalter für die beiden Elektroden zu verwenden (US-PS 5,142,434).

Für einen gasgefüllten Dreielektroden-Überspannungsab­ leiter, der aus einer Mittelelektrode, zwei hohlzylindri­ schen Keramikisolatoren und zwei stirnseitig angeordneten Endelektroden besteht, ist schließlich eine Anordnung be­ kannt, bei der jeder Endelektrode eine Luftfunkenstrecke zugeordnet ist. Diese ebenfalls nicht gekapselte Luft­ funkenstrecke wird mittels eines mit Abstand zur End­ elektrode angeordneten Endes eines federnden Metallbügels gebildet. Der Metallbügel ist dabei an der Mittelelektrode befestigt. Der erforderliche Abstand zur Endelektrode wird durch eine Beschichtung aus Polyurethanharz eingehalten. Diese Beschichtung ist an den scharfen Kanten und Ecken der beiden Enden des Metallbügels sehr dünn ausgebildet (US-PS 4,912,592).

Bei der Herstellung von gasgefüllten Überspannungsab­ leitern mit einem rohrförmigen Isolator aus Glas ist es an sich bekannt, napfartige, mit einem kragenförmigen Rand versehene Elektroden aus einer Nickel-Eisen- bzw. Nickel- Eisen-Kobalt-Legierung zu verwenden und diese Elektroden mit dem Glasisolator durch Anschmelzen der Enden des Glas­ isolators vakuumdicht zu verbinden (DE 19 51 601/GB-PS 1 280 938).

Ausgehend von einer gekapselten Funkenstrecke mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den konstruktiven Aufbau der Funkenstrecke zu vereinfachen und hierbei zu gewährleisten, daß bei einfacher Herstellung ein sicherer Schutz der Gasatmosphäre der Funkenstrecke gegen äußere Feuchtigkeitseinflüsse gewährleistet ist. Dabei soll die Funkenstrecke möglichst so ausgestaltet sein, daß sie in einfacher Weise einem gasgefüllten Überspannungsableiter als sekundäre Entladungsstrecke parallel geschaltet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Elektroden napfartig mit einem kragen­ förmigen Rand gestaltet sind, daß die Elektroden mit ihren Elektrodenflächen beidseits an der dünnen Isolierschicht anliegen und daß der Glasisolator stirnseitig in den kragenförmigen Rand der Elektroden eingeschmolzen ist.

Bei einer derartigen Ausgestaltung besteht die Funken­ strecke im wesentlichen aus zwei einfach gestalteten, gleichartig ausgebildeten Elektroden und einer zwischenge­ schalteten dünnen Isolierschicht, wobei die Elektroden, die zwischen sich die dünne Isolierschicht einschließen, mittels eines rohrförmigen Glasisolators vakuumdicht ver­ bunden sind. Auf diese Weise ist mit Sicherheit ausge­ schlossen, daß der bzw. die durch ein oder mehrere Löcher in der dünnen Isolierschicht gebildeten Entladungsräume der Funkenstrecke durch Feuchtigkeitszutritt in ihren physikalischen Eigenschaften verändert werden können. Dadurch wiederum ist sichergestellt, daß nicht nur die Ansprechgleichspannung der Funkenstrecke, sondern auch ihre Ansprechstoßspannung über lange Betriebszeiten konstant gehalten wird.

Die Herstellung der Funkenstrecke, bei der gewährleistet sein muß, daß die beiden Elektroden und der Glasisolator unter Hitzeeinwirkung und nachfolgender Abkühlung vakuum­ dicht miteinander verbunden werden, erfolgt in einfacher Weise dadurch, daß zunächst der Glasisolator in den kragenförmigen Rand der einen Elektrode gestellt und die dünne Isolierschicht auf die Elektrodenfläche dieser Elektrode aufgelegt wird, daß danach die andere Elektrode mit ihrem kragenförmigen Rand auf die freistehende Stirn­ seite des Glasisolators aufgesetzt wird und daß nach­ folgend in einer Gasatmosphäre aus Stickstoff oder einem Stickstoff-Luft-Gemisch die beiden Stirnseiten des Glas­ isolators durch induktive Erhitzung der beiden Elektroden angeschmolzen werden, wobei die beiden Elektroden unter Einwirkung eines axial gerichteten Anpreßdruckes gegen die Isolierschicht gedrückt werden. Auf diese Weise wird unter Ausschaltung aller mechanischen Toleranzen über die stirn­ seitige Anschmelzung des Glasisolators die kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Elektroden und der dünnen Isolierschicht und damit ein definierter Elektrodenabstand sichergestellt. Durch die Verwendung einer Gasatmosphäre aus Stickstoff oder einem Stickstoff-Luftgemisch bei Über- oder Unterdruck läßt sich die gewünschte Zündspannung der Funkenstrecke einstellen, beispielsweise bei einem Über­ druck eines Stickstoff-Luft-Gemisches (Luftanteil 1-10%) von etwa 2 bar eine Zündspannung von 750 ± 150 Volt.

Die beschriebene Herstellung der Funkenstrecke ist mit einer großen fertigungstechnischen Sicherheit verbunden, wenn die Elektroden aus einer Eisen-Nickel-Chrom-Legierung bestehen und wenn der Glasisolator aus einem Weichglas mit einem Transformationspunkt zwischen 450 und 500°C, vorzugsweise bei etwa 515°C besteht. Durch diese Randbedingungen ist eine gute Benetzung der Oberflächen der Elektroden mit dem angeschmolzenen Glas gewährleistet. Dies wird u. a. durch einen Chrom-Anteil von etwa 1% gewährleistet.

Mit Rücksicht auf die für die vakuumdichte Verbindung er­ forderliche Einschmelztemperatur kommt als dünne Isolier­ schicht insbesondere eine Glimmerfolie in Betracht. Man kann als dünne Isolierschicht aber auch eine Keramik­ folie oder auch eine auf die eine Elektrode durch chemische Beschichtung aus der Gasphase aufgebrachte Keramikschicht vorsehen.

Zur Ausrüstung eines an sich bekannten Dreielektroden- Überspannungsableiters mit gemäß der Erfindung ausge­ bildeten, parallelgeschalteten Funkenstrecken geht man zweckmäßig derart vor, daß auf jede Endelektrode axial eine gemäß der Erfindung ausgebildete Funkenstrecke auf­ gesetzt und dort mittels eines zweiarmigen, metallenen Federbügels gehalten wird, der an der Mittelelektrode be­ festigt ist und dessen federnde Enden jeweils an einer Elektrode einer Funkenstrecke anliegen. Die Zentrierung der Funkenstrecken an dem Ableiter wird hierbei zweckmäßig dadurch erreicht, daß die stirnseitig angeordneten End­ elektroden eine Vertiefung zur Aufnahme der jeweiligen Funkenstrecke aufweisen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Funkenstrecke im Zustand vor der vakuumdichten Verbindung der Elektroden mit dem Glasisolator,

Fig. 2 die fertig hergestellte Funkenstrecke und

Fig. 3 einen Dreielektrodenableiter mit zwei parallel geschalteten Funkenstrecken gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Funkenstrecke im vormontierten Zustand, wobei zunächst eine untere Elektrode 1 angeordnet ist, die napfartig bzw. podestartig mit einem kragenförmigen Rand 2 gestaltet ist. In den kragenförmigen Rand 2 ist ein rohr­ förmiger Glasisolator 3 gestellt. Weiterhin ist auf die Entladungsfläche der unteren Elektrode 2 eine Isolierfolie 4 in Form einer 60 bis 70 µm-dicken Glimmerfolie aufge­ legt, die mit einer zentralen, kreisförmigen Durchbrechung 5 versehen ist. Der Außendurchmesser dieser ebenfalls kreisförmigen Isolierfolie ist wenig kleiner als der Innendurchmesser des Glasisolators 3 gewählt.

Auf den Glasisolator 3 ist die obere Elektrode 6 aufge­ setzt, die bezüglich ihrer Form mit der unteren Elektrode 1 identisch ist. Durch die Höhe des Glasisolators 3 wird ein gewisser Abstand zwischen den Entladungsflächen der beiden Elektroden 1 und 6 eingehalten.

Zur Herstellung der gewünschten Entladungsstrecke zwischen den beiden Elektroden 1 und 6 und zur vakuumdichten Verkapselung dieser Entladungsstrecke wird die in Fig. 1 dargestellte Anordnung in einen evakuierbaren Behälter ge­ bracht. Nach Evakuierung wird dieser Behälter mit Stick­ stoff oder mit einem Gemisch aus Luft und Stickstoff gefüllt, wobei ein Druck von etwa 2000 mbar eingestellt wird. Dann werden die beiden Elektroden 1 und 6 durch induktive Erwärmung soweit erhitzt, daß der Glasisolator 3 an seinen beiden Stirnseiten, an denen er die Elektroden berührt, erweicht. Hierbei wird auf die beiden Elektroden 1 und 6 gemäß den beiden Pfeilen 7 ein axialer Anpreßdruck ausgeübt. Unter der Einwirkung dieses Anpreßdruckes werden die Elektroden 1 und 6 gegeneinander gefahren, wobei sich die stirnseitigen Enden des Glasisolators 3 deformieren (8) und sich über bekannte chemische Prozesse mit dem kragenförmigen Bereich der Elektroden dicht verbinden. Der Deformationsvorgang der stirnseitigen Enden des Glasisolators ist beendet, wenn die Entladungsflächen der beiden Elektroden 1 und 6 beidseitig an der Isolierfolie anliegen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. - Nach Abkühlung der so hergestellten Anordnung steht eine vakuumdicht gekapselte Funkenstrecke zur Verfügung, deren statische und dynamische Zündspannungswerte zwischen etwa 600 und 1000 Volt liegen.

Um für den Betrieb der Funkenstrecke eine gute elektrische Kontaktfähigkeit der Elektroden 1 und 6 zu gewährleisten, kann ihre Außenfläche nach Herstellung der Funkenstrecke vernickelt werden.

Fig. 3 zeigt einen Dreielektrodenableiter 10, der aus einer Mittelelektrode 11, zwei rohrförmigen Keramikiso­ latoren 12 und 13 und zwei Endelektroden 14 und 15 besteht. An der Mittelelektrode 11 ist ein zweiarmiger Federbügel 17 befestigt, dessen Arme 18 und 19 zwei gemäß Fig. 2 ausgebildete Funkenstrecken 9 kontaktieren und an den Stirnseiten des Dreielektrodenableiters fixieren. Die dem Dreielektrodenableiter zugekehrte Elektrode jeder Funkenstrecke greift dabei in eine Vertiefung 16 in der Endelektrode 14 bzw. 15 ein, wodurch eine radiale Zentrierung gegeben ist.

Claims (7)

1. Gekapselte Funkenstrecke zur Ableitung von Über­ spannungen,
bestehend aus zwei Elektroden, die in ihrem Außenbereich mittels eines hohlzylindrischen Glasisolators miteinander gasdicht verbunden sind und deren ebene Elektrodenflächen mittels einer dünnen, gelochten Isolierschicht auf Abstand gehalten sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden (1, 6) napfartig mit einem kragenförmigen Rand (2) gestaltet sind,
daß die Elektroden (1, 6) mit ihren Elektrodenflächen beidseits an der dünnen Isolierschicht (4) anliegen und
daß der Glasisolator (3) stirnseitig in den kragenförmigen Rand (2) der Elektroden eingeschmolzen ist.

2. Funkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Elektroden (1, 6) aus einer Eisen-Nickel-Chrom- Legierung bestehen und daß der Glasisolator (3) aus einem Weichglas mit einem Transformationspunkt zwischen 450 und 550°C besteht.

3. Funkenstrecke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die dünne Isolierschicht aus einer Glimmerfolie (4) besteht.

4. Funkenstrecke nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Isolierschicht aus einer Keramikfolie besteht.

5. Gasgefüllter Dreielektroden-Überspannungsableiter mit zwei parallel geschalteten Funkenstrecken, bestehend aus einer Mittelelektrode, zwei hohlzylindrischen Keramikisolatoren und zwei stirnseitig angeordneten End­ elektroden sowie aus einem an der Mittelelektrode befestig­ ten zweiarmigen, metallenen Federbügel, dessen Enden unter Zwischenschaltung eines Isolators an den Endelektroden anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß auf jede Endelektrode (14, 15) axial eine gemäß Patent­ anspruch 1 ausgebildete Funkenstrecke (9) aufgesetzt und dort mittels des Federbügels (17, 18, 19) gehalten ist, wobei die federnden Enden des Federbügels jeweils an einer Elektrode einer Funkenstrecke (9) anliegen.

6. Überspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die stirnseitig angeordneten Endelektroden (14, 15) eine Vertiefung (16) zur Aufnahme der jeweiligen Funken­ strecke aufweisen.

7. Verfahren zur Herstellung einer Funkenstrecke nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die beiden Elektroden und der Glasisolator unter Hitzeeinwirkung und nachfolgender Abkühlung vakuumdicht miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Glasisolator (3) in den kragenförmigen Rand (2) der einen Elektrode (1) gestellt und die dünne Isolierschicht (4) auf die Elektrodenfläche dieser Elektrode aufgelegt wird, daß danach die andere Elektrode (6) mit ihrem kragenförmigen Rand (2) auf die freistehende Stirnseite des Glasisolators (3) aufgesetzt wird und daß nachfolgend in einer Gasatmosphäre aus Stickstoff oder einem Stickstoff-Luft-Gemisch die beiden Stirnseiten des Glasisolators (3) durch induktive Erhitzung der beiden Elektroden angeschmolzen werden, wobei die beiden Elektroden unter Einwirkung eines axial gerichteten Anpreßdruckes (7) gegen die Isolierschicht (4) gedrückt werden.