DE4330178A1

DE4330178A1 - Gasgefüllter Überspannungsableiter mit Kupferelektroden

Info

Publication number: DE4330178A1
Application number: DE4330178A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Lange
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2013-09-01
Also published as: DE4330178B4; US5569972A; CA2131043A1

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauele mente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung der An schlüsse von solchen Überspannungsableitern anzuwenden, de ren Elektroden napfartig ausgebildet sind, aus Kupfer be stehen und mit einem rohrförmigen Keramikisolator verlötet sind.

Gasgefüllte Überspannungsableiter mit napfartig ausgebilde ten Kupferelektroden sind bekannt. Die Verwendung von Kupfer als Elektrodenmaterial bietet dabei die Vorteile kleiner Abmessungen und hoher Strombelastbarkeit. Dabei können die Elektroden in einem Fließpreßverfahren oder in einem Prägeverfahren hergestellt werden. Wegen der erheblichen Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Keramik haben die Elektroden im Bereich der Lötverbindungsstelle mit dem Keramikisolator eine Wand starke von weniger als 0,6 mm. Wärmespannungen können sich daher über die plastische Verformbarkeit des Kupfers aus gleichen. - Die Kontaktierung von Kupferelektroden erfolgt in axialer Richtung entweder formschlüssig über den für die Verlötung mit dem Keramikisolator vorgesehenen Rand oder stoffschlüssig über Anschlußdrähte, die an einen Stutzen im rückwärtigen Bodenbereich der eigentlichen Elektrodenfläche angeschweißt sind (US-PS 4 266 260, US-PS 4 433 354) Derartig angeschweißte Anschlußdrähte können auch in radialer Richtung abgebogen werden (US-PS 4 866 563). - Die radiale Zuführung von Anschlußdrähten beansprucht in axialer Richtung einen gewissen Raum, der beim Einbau von Überspannungsableitern in elektronische Geräte nicht immer gegeben ist. In diesen Fällen kann eine axiale Kontaktierung nicht verwendet werden. Eine solche Kontak tierung der Elektroden kann auch dann nicht verwendet wer den, wenn die Elektroden axial mit einer Zusatzeinrichtung wie einer Überlastschutzeinrichtung belegt sind. In diesen Fällen können die Elektroden mit radial angeschweißten An schlußdrähten versehen sein, sofern der Elektrodenrand eine genügende Wandstärke aufweist, wie es bei Elektroden aus einer sonst hierfür üblichen Eisen-Legierung üblich ist (US-PS 4 984 125).

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, mit dem Lötrand einer Kupferelektrode stirnseitig einen Anschluß stoff schlüssig zu verbinden, der in diesem Bereich die Form ei nes Ringes hat. Dabei sind der Ring und der radial abste hende Anschlußdraht einstückig ausgebildet. Der Ring dient zugleich zur Zentrierung eines zusätzlichen zylindrischen Bauteiles (DE-Anmeldung P 43 18 366.2).

Ausgehend von einem Überspannungsableiter mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfin dung die Aufgabe zugrunde, eine axial möglichst wenig aus ladende und fertigungstechnisch leicht handbare Kontaktie rung der Kupferelektrode zu schaffen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Rand jeder Kupferelektrode stirnseitig mit einem Kontaktring aus einem schweißbaren Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^-7/°C ist, wobei der Kontaktring eine Höhe aufweist, die größer als die Wanddicke der Kupferelektrode ist, und der Kontaktring mit dem Rand der Kupferelektrode verlötet ist, und daß auf die äußere Mantelfläche des Kontaktringes ein Anschlußdraht aufgeschweißt ist.

Mit einer derartigen Ausgestaltung des Überspannungsablei ters ist auf axial engstem Raum eine radiale Kontaktierung durch tangential oder durch radial stumpf angeschweißte An schlußdrähte gegeben. Die Verwendung eines Kontaktringes mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^-7/°C führt dabei zu einer Reduzierung der Scherbeanspruchung der Lötverbindung zwischen der Kupferelektrode und dem Keramikteil, weil der Kontaktring hinsichtlich seines Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramik (75 × 10^-7/°C) und des Kupfers (etwa 170 × 10^-7/°C) liegt und somit Schrumpfspannungen der Kupferelektrode in deren Randbereich teilweise auf fängt. Demzufolge sind für den Kontaktring vorzugsweise eisenhaltige Legierungen geeignet, es kommt aber auch die Verwendung von reinem Nickel in Be tracht. - Die Reduzierung der Scherbeanspruchung im Bereich der Lötverbindung zwischen Kupferelektrode und Keramikiso lator führt dabei zu einer höheren elektrischen und damit thermischen Belastungsmöglichkeit des Ableiters. - Die Ver wendung eines speziellen Kontaktringes, an den erst im Ver lauf des Fertigungsprozesses des Ableiters ein Anschluß draht angeschweißt wird, bietet weiterhin fertigungstechni sche Vorteile dadurch, daß der zunächst nur mit Kontaktrin gen versehene Überspannungsableiter Fertigungsvorgängen wie Trommelschleifen, Beizen, Versilbern oder Verzinnen, Be drucken und Formieren unterzogen werden kann, ohne daß hierbei bereits vorhandene Drahtanschlüsse hinderlich wä ren. - Für die Verlötung des Kontaktringes mit dem Rand der Kupferelektrode wird zweckmäßig Silber verwendet, das auf den Kontaktring galvanisch mit einer Schichtdicke von etwa 5 µm aufgebracht ist. Diese Silberschicht bildet bei der Löttemperatur des Ableiters mit der Oberflächenschicht des Randes der Kupferelektrode eine Lötverbindung in der Nähe des eutektischen Punktes. Auf diese Weise ist gewährlei stet, daß die Verlötung des Kontaktringes und der Kupfer elektrode gleichzeitig mit der Verlötung der Kupferelektro de und des Keramikisolators durch geführt werden kann.

Der gemäß der Erfindung verwendete Kontaktring kann aus ei nem Runddraht geformt sein. Man kann hierfür auch einen Profildraht verwenden, dessen Querschnitt von der Kreisform abweichend im Bereich der Auflagefläche auf der Kupferelek trode abgeflacht, an der äußeren Mantelfläche ebenfalls ab geflacht und an der inneren Mantelfläche kuppenartig zuge spitzt ist. Hierbei stehen im Bereich der vorgesehenen stoffschlüssigen Verbindungen größere Verbindungsflächen zur Verfügung, während die kuppenartige Zuspitzung der Zen trierung eines zusätzlichen Bauteiles dienen kann. - Als besonders vorteilhaft hat es sich aber erwiesen, wenn der Kontaktring aus einem Stanzformteil mit etwa rechteckigem Querschnitt besteht. Durch Trommelschleifen können dabei an den Kanten des Ringes Fasen gebildet werden, die im Bereich der Anlagefläche an den Rand der Kupferelektrode eine ra dial nicht auftragende Lötnaht gewährleisten. - Ein ge stanzter Kontaktring kann gegebenenfalls auch so ausgebil det sein, daß sein Querschnitt an der Innenfläche eine fla che kegelförmige Zuspitzung aufweist.

Mit Rücksicht auf die an gasgefüllte Überspannungsableiter angeschweißten Anschlußdrähte mit einem Drahtdurchmesser von 1 mm beträgt die Höhe des Kontaktringes zweckmäßig etwa 0,8 bis 1 mm. Als Material für den Kontaktring haben sich insbesondere magnetische, rostfreie Stähle mit einem Wärme ausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^-7 bewährt, bei spielsweise ein Stahl der Bezeichnung X8Cr17 oder auch die Legierung N42 sowie der für Vakuumzwecke handelsübliche Werkstoff Vacon (ein Kobalt-Nickel-Stahl).

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 4 dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Dreielektrodenableiter mit an den Endelektroden angeordneten Kontaktringen aus einem Profildraht und mit einem ange schweißten Anschlußdraht,

Fig. 2 einen Kontaktring aus einem Runddraht mit angeschweißtem Anschlußdraht und die

Fig. 3 und 4 gestanzte Kontaktringe mit angeschweißtem Anschlußdraht.

Fig. 1 zeigt einen gasgefüllten Drei-Elektroden-Ableiter mit der Mittelelektrode 1, den beiden Endelektroden 2 und 3 und den rohrförmigen Keramikisolatoren 4 und 5. Jede der beiden Endelektroden 2 und 3 ist napfförmig gestaltet und weist einen dicken Boden 6, eine Wandung 7 und einen dünnen Rand 8 auf. Der Rand 8 hat eine Wandstärke von etwa 0,5 mm. Die beiden Endelektroden 2 und 3 sind mit ihrem Rand 8 mit dem Keramikisolator 4 bzw. 5 stirnseitig verlötet. - Die Elektroden 2 und 3 bestehen aus Kupfer und sind durch Fließpressen hergestellt.

Auf den Rand 8 jeder Elektrode 2 bzw. 3 ist ein Kontaktring 9 aufgelötet, der aus einer magnetischen, rostfreien Eisen legierung mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^-7/°C besteht. Jeder Kontaktring 9 ist mit einer Silberschicht 10 versehen, die beim Lötvorgang schmilzt und mit der oberflächlichen Kupferschicht des Randes 8 eine Silber-Kupferlegierung eingeht. - Die Höhe h jedes Kontakt ringes ist größer als die Wanddicke D des Randes 8 und liegt bei etwa 0,8 bis 1 mm.

An den Kontaktring 9 ist ein Anschlußdraht 11 tangential angeschweißt. Der Anschlußdraht 11 besteht in aller Regel aus Kupfer und ist verzinnt oder versilbert.

Die Kontaktringe 9 bestehen jeweils aus einem Profildraht, der zu einem Ring geformt ist. Das Profil dieses Profil drahtes ist dabei so gewählt, daß die Auflagefläche auf dem Rand 8 sowie die äußere Mantelfläche im wesentlichen eben ausgebildet sind, während die innere Mantelfläche kuppenar tig zugespitzt ist.

Gemäß Fig. 2 wird der Kontaktring von einem Runddraht 12 gebildet.

Gemäß Fig. 3 besteht der Kontaktring 13 aus einem Stanz teil mit ebener Ausgestaltung der Auflagefläche, der Deck fläche und der äußeren Mantelfläche. Die innere Mantelflä che weist eine flache kegelförmige Zuspitzung 15 auf.

Gemäß Fig. 3 besteht der Kontaktring 14 aus einem Stanz teil mit rechteckigem Querschnitt, wobei an den Kanten durch Trommelschleifen Fasen 16 gebildet sind.

Claims

1. Gasgefüllter Überspannungsableiter mit zwei napfartig ausgebildeten Kupferelektroden, die mit ihrem Rand jeweils stirnseitig auf einen rohrförmigen Keramikisolator aufgelö tet sind, wobei der Rand eine Wanddicke von weniger als 0,6 mm aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rand (8) jeder Kupferelektrode (2, 3) stirnseitig mit einem Kontaktring (9) aus einem schweißbaren Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 120 × 10^-7/°C versehen ist,
wobei der Kontaktring eine Höhe (h) aufweist, die größer als die Wanddicke (D) des Randes (8) der Kupferelektrode ist, und der Kontaktring (9) mit dem Rand (8) der Kupferelektrode verlötet ist,
und daß auf die Außenfläche des Kontaktringes (9, 12) ein Kupferdraht (11) aufgeschweißt ist.

2. Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (9) aus Nickel besteht.

3. Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (9) aus Eisen (Fe) oder einer Fe- Legierung besteht.

4. Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (12) aus einem Runddraht geformt ist.

5. Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (9) aus einem Profildraht geformt ist, dessen Querschnitt von der Kreisform abweichend im Bereich der Auflagefläche auf der Kupferelektrode abgeflacht, an der äußeren Mantelfläche ebenfalls abgeflacht und an der inneren Mantelfläche kuppenartig zugespitzt (17) ist.

6. Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (14) aus einem Stanzformteil mit etwa rechteckigem Querschnitt besteht.

7. Überspannungsableiter nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kontaktringes (13) an der inneren Mantelfläche eine flache kegelförmige Zuspitzung (15) aufweist.

8. Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) des Kontaktringes etwa 0,8 bis 1 mm be trägt.

9. Überspannungsableiter nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktring (9) mit einer galvanisch aufgebrachten Silberschicht (10) mit einer Dicke von etwa 5 µm versehen ist.