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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektronischen Bauelemente und
ist bei der Gestaltung von gasgefüllten Überspannungsableitern anzuwenden,
die im wesentlichen aus zwei sich axial gegenüberstehenden Endelektroden,
einer dazu konzentrisch angeordneten Mittelelektrode und aus zwei
zwischen der Mittelelektrode und den Endelektroden angeordneten
hohlzylindrischen Isolierkörpern
bestehen.
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Gasgefüllte Überspannungsableiter
mit zwei Endelektroden und einer konzentrischen Mittelelektrode,
sogenannte Drei-Elektroden-Ableiter, werden in unterschiedlichen
Leistungsklassen eingesetzt. Eines von mehreren charakteristischen
Merkmalen der jeweiligen Leistungsklasse ist dabei der Nennableitwechselstrom
(AC Discharge Current), den der Ableiter für beispielsweise eine Sekunde
bei 50 Hz oder für
11 Perioden (cycles) bei 60 Hz führen
können muß. Derartige
Ableitströme
liegen bei Ableitern der unteren Leistungsklassen (Light and Standard
Duty) bei 2,5 bis 10 oder 20 A (1 sec/50 Hz) je Ableiterstrecke,
bei Ableitern größerer Leistungsklasse
(Heavy Duty) bei beispielsweise 90 A (11 cycles/60 Hz) für jede Ableiterstrecke
gleichzeitig und in der höchsten Leistungsklasse
(Maximum Duty) bei etwa 200 A (11 cycles, 60 Hz) gleichzeitig für jede Ableiterstrecke.
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Bei
bekannten Drei-Elektroden-Ableitern für die höchste Leistungsklasse sind
die beiden Endelektroden stiftartig ausgebildet und an den sich
gegenüberstehenden
Enden kopfartig erweitert. Der Kopfbereich dieser Elektroden und
ein Teil ihres Schaftes sind von einer konzentrisch angeordneten, rohrförmigen Mittelelektrode
umgeben, in deren Enden jeweils ein hohlzylindrischer Isolierkörper eingesetzt
und radial über
einen Teil seiner Umfangsfläche gasdicht
mit der Mittelelektrode verbunden ist. Auf die anderen Enden der
beiden Isolierkörper
ist jeweils eine Metallkappe aufgesetzt, die einerseits ebenfalls
mit einem Teil der Umfangsfläche
des jeweiligen Isolierkörpers
gasdicht verbunden ist und die andererseits mit dem Schaft der jeweiligen
Endelektrode gasdicht verlötet
bzw. verschweißt
ist. Für am
Markt erhältliche
Ausführungsformen
dieser bekannten Drei-Elektroden-Ableiter
(Fa. TII, USA) ist in der höchsten
Leistungsklasse eine axiale Länge
von etwa 45 bis 50 mm charakteristisch (
US-PS
3 289 027 ,
US-PS 3 885
203 ,
GB-A 2
181 887 ).
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Insbesondere
für die
Bedürfnisse
des nordamerikanischen Marktes ist es weiterhin bekannt, die erwähnten Drei-Elektroden-Ableiter
mit Zusatzeinrichtungen zu versehen, die bei zu starker Erwärmung des
Ableiters diesen kurzschließen
(fail-safe) bzw.
bei einem Undichtwerden des Ableiters eine Hilfs-Entladungsstrecke aktivieren (vent-safe).
Für diese
Zwecke werden beispielsweise Körper
aus leicht schmelzbarem Metall oder schmelzbare Isolierfolien verwendet
(
US-PS 4 062 054 ,
US-PS 4 212 047 ,
US-PS 3 254 179 ).
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Für die obenerwähnten unteren
Leistungsklassen sind weiterhin Drei-Elektroden-Ableiter bekannt,
bei denen sowohl die Endelektroden als auch die Mittelelektrode
aus Kupfer bestehen und bei denen die Endelektroden mit einem flanschartigen
Fußteil
versehen sind, während
die Mittelelektrode die Form eines hohlzylindrischen Ringes mit
einem sich radial erstreckenden Befestigungsflansch aufweist. Die
beiden hohlzylindrischen Isolierkörper der Ableiter sind dabei
stirnseitig einerseits mit dem Fußteil einer Endelektrode und
andererseits mit dem Verbindungsflansch der Mittelelektrode verlötet. Bei
derartigen Ableitern ist es im übrigen üblich, die
Isolierkörper
auf ihrer inneren Oberfläche
mit Zündstrichen
zu versehen, die abwechselnd an eine Endelektrode und an die Mittelelektrode
elektrisch angebunden sind, und die beiden Endelektroden und/oder
die Mittelelektrode mit einer Aktivierungsmasse zu beschichten (
US-PS 4 433 354 ,
US-PS 4 769 736 ).
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Bei
am Markt erhältlichen
Ausführungsformen
dieser bekannten Drei-Elektroden-Ableiter mit Kupferelektroden hat
der zylindrische Teil der Endelektroden ein Durchmesser von etwa
2 bis 3 mm und eine axiale Länge
von etwa 3 bis 4 mm, so daß der zylindrische
Teil der Endelektroden ein Volumen von etwa 20 mm
3 aufweist.
Die Wandstärke
der hohlzylindrischen Keramikisolatoren liegt bei 0,8–1,5 mm.
Für derartige
Drei-Elektroden-Ableiter
im unteren Leistungsbereich hat man ebenfalls bereits vorgesehen, diese
so auszubilden, daß sie
ein sicheres ”Fail-safe-” und/oder ”Vent-safe-Verhalten” aufweisen.
Hierzu kann man an dem Anschlußflansch
der Mittelelektrode einen zweiarmigen Federbügel. fixieren, dessen Enden
unter Zwischenschaltung eines Abstandhalters stirnseitig an den
Endelektroden des Überspannungsableiters
anliegen. Das Ende jedes Armes des Federbügels trägt dabei eine Kappe, die mit
einem flanschartigen Rand versehen ist, der als Kontaktring dient.
Dieser flanschartige Rand und der Fußteil der jeweiligen Endelektrode
stehen sich axial gegenüber
und werden mittels einer scheibenförmigen Schmelzpille und eines
zylindrischen Bauteiles mit isolierenden Eigenschaften auf Abstand
gehalten. Als zylindrisches Bauteil wird entweder ein temperaturbeständiger Isolierkörper oder
ein Metalloxid-Varistor
verwendet (
US-PS 5388023 ).
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Es
ist weiterhin bereits vorgeschlagen worden, zur radialen Kontaktierung
der aus Kupfer bestehenden Endelektroden eines Drei-Elektroden-Ableiters
den am Fußteil
vorhandenen Rand stirnseitig mit einem Kontaktring aus einem schweißbaren Material
zu versehen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
etwa 120 × 10
–7/°C beträgt, und
auf die Außenfläche dieses
Kontaktringes einen Anschlußdraht aufzuschweißen (
US-PS 5569972 ).
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Aus
der Druckschrift
US 3791711 ist
ein weiterer gasgefüllter Überspannungsableiter
mit Endelektroden und einer ringförmigen Mittelelektrode bekannt.
Die Innenseite der Mittelelektrode ist mit einer radialen Abstufung
versehen, die als Formschluß zur Erhöhung der
mechanischen Stabilität
zwischen der Mittelelektrode und Isolierkörpern dient.
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In
der Druckschrift
US 5184273 ist
ein Überspannungsableiter
mit einer stirnseitigen Verbindung zwischen einer Mittelelektrode
und Isolierkörpern
beschrieben.
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Ausgehend
von einem gasgefüllten Überspannungsableiter
mit zwei zylindrischen, mit einem flanschartigen Fußteil versehenen
und sich axial gegenüberstehenden
Endelektroden aus Kupfer und mit einer die beiden Endelektroden
auf einem Teil ihrer axialen Länge
umgebenden Mittelelektrode aus ebenfalls Kupfer, bei dem zwischen
der Mittelelektrode und den Fußteilen
der Endelektroden jeweils ein hohlzylindrischer Isolierkörper mit
einer Wandstärke von
etwa 1 mm angeordnet ist, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen möglichst
kompakt aufgebauten, d. h. möglichst
kleine axiale und radiale Abmessungen aufweisenden Überspannungsableiter der
Leistungsklasse ”Maximum
Duty” (200
amp. AC-Discharge Current each side to ground simultaniously, 11
cycles, 60 Hz) zu schaffen, der ohne wesentliche Vergrößerung auch
die Anforderungen ”fail-safe” und/oder ”vent-safe” erfüllen kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung
vorgesehen, daß der
zylindrische Teil der Endelektroden ein Volumen von wenigstens 60
mm3 aufweist, wobei die axiale Länge des
zylindrischen Teiles kleiner als das 2,5-fache seines Durchmessers ist,
daß die
Mittelelektrode als Hohlzylinder ausgebildet ist und daß die Mittelektrode
und die hohlzylindrischen Isolierkörper stirnseitig miteinander
verlötet sind,
wobei die innere Mantelfläche
der Mittelelektrode in den den beiden Isolierkörpern benachbarten Bereichen
jeweils mit einer radialen Abstufung versehen ist und die Mittelelektrode
im Bereich der Lötverbindungsstellen
eine Wandstärke
aufweist, die höchstens
60% der Wandstärke
der Isolierkörper
beträgt.
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Ein
derart ausgebildeter Überspannungsableiter
zeichnet sich infolge der Verwendung massiver und kompakter Kupferelektroden
durch eine hohe Wärmekapazität und damit
durch eine schnelle Wärmeableitung
im Bereich der Entladungsstrecken aus. Die vorgesehene Ausgestaltung
der Mittelelektrode als Hohlzylinder mit stirnseitigem Lötbereich
ermöglicht
dabei eine sehr schlanke und axial kurze Ausbildung des Ableiters als
Ganzem. Die Gesamtlänge des
Ableiters kann daher bei etwa 20 bis 25 mm liegen.
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Eine
sehr kurze axiale Länge
des Drei-Elektroden-Ableiters wird erreicht, wenn die Endelektroden
in ihrem Durchmesser vergrößert und
mit ihrer axialen Länge
verkürzt
und damit noch kompakter aufgebaut werden. Zweckmäßig beträgt der Durchmesser
des zylindrischen Teiles der Endelektroden wenigstens 4,5 mm. Eine
spürbare
axiale Verkürzung des
Ableiters erhält
man dann, wenn der zylindrische Teil der Endelektroden ein Volumen
von wenigstens 150 mm3 aufweist, wobei die
axiale Länge
des zylindrischen Teiles der Endelektroden kleiner als das 1,5-fache
seines Durchmessers, vorzugsweise gleich oder annähernd gleich
seinem Durchmesser sein sollte. Beispielsweise kann der Durchmesser des
zylindrischen Teiles der Endelektroden etwa 6 mm betragen.
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Je
nach Ausgestaltung der Endelektroden umfaßt die Mittelelektrode mit
ihrem nicht abgestuften Bereich der inneren Mantelfläche die
Endelektroden auf wenigstens 35% der Länge ihres zylindrischen Teiles.
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Sofern
für den
neuen Drei-Elektroden-Überspannungsableiter
eine radiale Kontaktierung der Endelektroden vorgesehen ist, empfiehlt
es sich, an das Fußteil
jeder Endelektrode stirnseitig einen Kontaktring aus einem schweißbaren Material
anzulöten, dessen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
etwa 120 × 10
–7 pro °C beträgt, wie
es in der eingangs erwähnten älteren Patentanmeldung
US-PS 5569972 bereits vorgeschlagen
ist. An diesem Kontaktring kann dann ein Anschlußdraht angeschweißt werden.
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Ein
gemäß der Erfindung
ausgebildeter Drei-Elektroden-Ableiter kann auch mit einer zusätzlichen
Schutzeinrichtung ausgerüstet
werden, wie sie in der anderen erwähnten, früheren Patentanmeldung beschrieben
ist. Für
einen sehr schlanken Ableiter mit größerer axialer Länge empfiehlt
es sich dabei, auch die äußere Mantelfläche der
Mittelelektrode in denjenigen Bereichen, die den beiden Isolierkörpern benachbart
sind, mit einer radialen Abstufung zu versehen und auf jedem abgestuften
Bereich einen einarmigen Federbügel
zu fixieren, der am Ende seines Armes eine Kappe mit einem flanschartigen Rand
tragt und der mit dem Ende seines Armes unter Zwischenschaltung
eines Abstandhalters stirnseitig an der einen Endelektrode anliegt,
wobei der Abstandhalter aus einer scheibenförmigen Schmelzpille und einem
zylindrischen Bauteil mit isolierenden Eigenschaften, insbesondere
aus einem Metalloxid-Varistor
besteht; hierbei ist es weiterhin zweckmäßig, den an das Fußteil der
jeweiligen Endelektrode stirnseitig angelöteten Kontaktring zur radialen
Fixierung und zur radialen Zentrierung des zylindrischen Bauteiles
mit isolierenden Eigenschaften zu verwenden. – Bei einem Drei-Elektroden-Ableiter sehr kurzer
axialer Baulänge
aber dafür
etwas größerer radialer
Dicke empfiehlt es sich dagegen, an der Mittelelektrode einen zweiarmigen
Federbügel
zu fixieren, der an den Enden seiner Arme jeweils die erwähnten Kappe mit
einem flanschartigen Rand trägt
und der mit den Enden der Arme jeweils unter Zwischenschaltung eines
aus einer scheibenförmigen
Schmelzpille und einem zylindrischen Bauteil mit isolierenden Eigenschaften
bestehenden Abstandhalters stirnseitig an den Endelektroden anliegt,
und zur Aufnahme der Schmelzpille und zur radialen Zentrierung des
zylindrischen Bauteiles das Fußteil
jeder Endelektrode mit einer Vertiefung zu versehen. Dadurch wirkt
sich die zusätzliche
Schutzeinrichtung nur geringfügig
auf die axiale Länge
des Überspannungsableiters
als Ganzem aus. Dies gilt insbesondere dann, wenn zur radialen Kontaktierung
der Endelektroden an deren Fußteil
ebenfalls ein Kontaktring aus einem schweißbaren Material angelötet ist.
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Zwei
Ausführungsbeispiele
des neuen Überspannungsableiters
sind in den Figuren dargestellt. Dabei zeigen
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1 und 2 einen
sehr schlanken Überspannungsableiter
mit sowohl an der inneren Mantelfläche als auch an der äußeren Mantelfläche radial abgestufter
Mittelelektrode und aufgesetzter Schutzeinrichtung und
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3 einen Überspannungsableiter
mit besonders kurzer axialer Baulänge und mit in Vertiefungen
der Endelektroden geführtem
Abstandhalter der aufgesetzten Schutzeinrichtung.
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Der
gemäß 1 dargestellte Überspannungsableiter
besteht im wesentlichen aus den beiden zylindrischen Endelektroden 1 und 3,
der konzentrisch dazu angeordneten Mittelelektrode 7 und den
beiden hohlzylindrischen Keramikkörpern 10 und 11.
Die Endelektroden 1 und 3 bestehen aus Kupfer, sind
im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und mit einem Fußteil 2 bzw. 4 versehen,
das in einen Lötflansch 5 bzw. 6 übergeht.
Die axiale Länge
L1 des zylindrischen Teiles der Endelektroden
beträgt
etwa 8 mm, während
der Durchmesser D1 der Endelektroden etwa
3,5 mm beträgt.
Das Volumen des zylindrischen Teiles beträgt damit etwa 77 mm3. Hinsichtlich der Wärmeableitung ist es günstiger,
einen Durchmesser von 4,5 mm bei einer axialen Länge von etwa 6 mm vorzusehen.
Die aus Keramik bestehenden Isolierkörper 10 und 11 haben
eine Wandstärke
d3 von etwa 1 mm. – Die hohlzylindrische Mittelelektrode 7 ist
an der inneren Umfangsfläche
an beiden Enden mit einer radialen Abstufung 8 versehen,
wodurch u. a. die aktive Länge
La der Mittelelektrode festgelegt wird.
Die Mittelelektrode 7 ist weiterhin auch am äußeren Umfang
an beiden Enden mit einer radialen Abstufung 9 versehen.
Durch die innere und die äußere Abstufung
wird die Wandstärke
d1 der Mittelelektrode 7 in dem
an die Isolierkörper 10 und 11 angrenzenden
Bereich auf einen Wert von etwa 0,5 bis 0,6 mm reduziert.
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Die
Mittelelektrode 7 und die Isolierkörper 10 und 11 sind
stirnseitig miteinander verlötet.
Ebenso sind die Isolierkörper
stirnseitig mit den Fußteilen 2 und 4 der
Endelektroden 1 und 3 verlötet. – An die Lötflansche 5 und 6 der
Endelektroden sind noch Kontaktringe 12 bzw. 13 angelötet, die
aus einem schweißbaren
Material, beispielsweise aus Nickel oder aus einer Eisenlegierung
bestehen, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
von etwa 120 × 10–7/°C aufweist.
An diese Kontaktringe können
Anschlußdrähte radial
angeschweißt
sein.
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Den
beiden Endelektroden 1 und 3 sind noch Bauteile
einer Schutzeinrichtung zugeordnet, deren kontruktiver Aufbau auch
aus 2 hervorgeht. Zu dieser Schutzeinrichtung gehören eine
Schmelzpille 19 und ein Metalloxid-Varistor 20,
die radial durch den jeweiligen Kontaktring 12 bzw. 13 fixiert
werden. Zur axialen Fixierung ist eine Kappe 17 vorgesehen, die
in einen flanschartigen Kontaktrand 18 übergeht und am Ende 16 des
Armes eines einarmigen Federbügels 14 angeordnet
ist. Der Federbügel
ist mittels einer Klammer 15 im Bereich einer äußeren radialen Abstufung
der Mittelelektrode 7 auf dieser fixiert.
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Der
aktive Teil der Mittelelektrode 7 mit der Länge La überdeckt
die zylindrischen Bereiche der beiden Endelektroden 1 und 3 auf
etwa 40% ihrer Länge.
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Zur
Einstellung der gewünschten
Zündeigenschaften
des dargestellten Überspannungsableiters sind
die Endelektroden stirnseitig noch mit einer Aktivierungsmasse 45 beschichtet
und sind auf die Innenwand der Isolierkörper 10 und 11 axial
verlaufende, am Umfang gleichmäßig verteilt
angeordnete Zündstriche 46 aufgebracht,
die abwechselnd an die jeweilige Endelektrode und an die Mittelelektrode elektrisch
angebunden sind.
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Der Überspannungsableiter
gemäß 3 ist kompakter
und damit axial kürzer
aber auch radial etwas dicker als der Ableiter gemäß 1 ausgebildet. Dieser
Ableiter besteht in gleicher Weise wie der Ableiter gemäß 1 aus
zwei Endelektroden 21 und 22, einer Mittelelektrode 29 und
zwei hohlzylindrischen Isolierkörpern 31 und 32 mit
einer Wandstärke d4 = 1,2 mm. Die Isolierkörper 31 und 32 sind
dabei einerseits stirnseitig mit den Lötflanschen 25 und 26 der
Fußteile 23 und 24 verlötet, andererseits
sind die Mittelelektrode 29 und die beiden Isolierkörper 31 und 32 stirnseitig
miteinander verlötet,
wobei die Wandstärke
d2 der Mittelelektrode 29 im Bereich
der Lötverbindungsstelle
durch radiale Abstufungen 30 auf etwa 0,6 mm reduziert
ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
begrenzen die radialen Abstufungen 30 die aktive Länge La der Mittelelektrode.
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Für das Ausführungsbeispiel
gemäß 3 ist
typisch, daß der
Durchmesser D2 des zylindrischen Teiles
der Endelektroden 21 und 22 etwa gleich der axialen
Länge L2 des zylindrischen Teiles ist, wobei dieser
zylindrische Teil ein Volumen von etwa 170 mm3 aufweist.
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Zur
Erzielung der gewünschten
Zündeigenschaften
sind auch bei diesem Ableiter die Endelektroden 21, 22 stirnseitig
mit einer Aktivierungsmasse 43 beschichtet und die Isolierkörper 31 und 32 mit axial
verlaufenden Zündstrichen 44 versehen.
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Für die zusätzliche
Schutzeinrichtung des Ableiters wird hier ein zweiarmiger Federbügel 34 verwendet,
der mittels einer Klammer auf der Mittelelektrode 29 aufsitzt
und der an den Enden 36 der axial an den Endelektroden
anliegenden Arme jeweils eine Kappe 37 trägt, deren
flanschartiger Kontaktrand 38 mit entsprechendem Abstand
zum Fußteil 23 bzw. 24 der
jeweiligen Endelektrode angeordnet ist. Hierzu dient ein Abstandhalter,
der aus der Schmelzpille 39 und dem Metalloxid-Varistor 40 besteht.
Schmelzpille und Varistor sind in einer Ausnehmung 27 bzw. 28 des
Fußteiles
der jeweiligen Endelektrode radial fixiert bzw. geführt – Bei diesem
Ausführungsbeispiel
ragt die Kappe 37 mit dem Ende 36 des jeweiligen
Armes des Federbügels 34 axial
nur geringfügig über den
am Fußteil 23 bzw. 24 angelöteten Kontaktring 41 bzw. 42 hervor.
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Das
relativ große
Volumen und die damit verbundene Wärmekapazität des zylindrischen Bereiches
der Endelektroden trägt
im übrigen
dazu bei, daß beim
Fließen
eines Nennableitstromes von etwa 200 amp. der Fußteil der Endelektroden nicht
so heiß wird,
daß die
dort anliegende Schmelzpille aktiviert wird.