EP0034360B1 - Elektrode eines Gasentladungs-Überspannungsableiters und damit ausgerüsteter Überspannungsableiter - Google Patents

Elektrode eines Gasentladungs-Überspannungsableiters und damit ausgerüsteter Überspannungsableiter Download PDF

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EP0034360B1
EP0034360B1 EP81101084A EP81101084A EP0034360B1 EP 0034360 B1 EP0034360 B1 EP 0034360B1 EP 81101084 A EP81101084 A EP 81101084A EP 81101084 A EP81101084 A EP 81101084A EP 0034360 B1 EP0034360 B1 EP 0034360B1
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EP
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electrode
pin
copper
overvoltage arrester
gas discharge
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Gerhard Ing. Grad Lange
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Siemens AG
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    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel
    • H01T4/12—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel hermetically sealed
    • H—ELECTRICITY
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    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/04—Housings

Definitions

  • the invention relates to electrodes of a gas discharge surge arrester according to the preamble of claim 1.
  • Powerful surge arresters must be able to discharge surge currents ⁇ 10 kA. In the case of double-line surge arresters, this means that a total current ⁇ 20 kA flows through a common center electrode. Such high surge currents cause electrical contact connections to cause the contact material to spatter, thereby damaging the sockets. A better electrical connection for such currents is provided by soldered connection wires, which generally consist of copper and then have a diameter of approximately 1 mm. Copper is also preferably chosen for the electrode material for electrical and economic reasons. The fixed connection between the electrode and the connecting wire can then be made by soldering or welding.
  • Such electrodes are known from DE-OS 2 828 650.
  • the possibility is described there of soldering a tubular rivet to the bottom of the cup-shaped electrode and then squeezing the connecting wire into the tubular rivet (FIG. 4).
  • a welded connection is intended to "press" a cylinder onto the bottom of the cup-shaped electrode, the diameter of which is approximately 1.5 times the diameter of the connecting wire.
  • the connecting wire is butt-welded onto this cylinder.
  • This cylinder has the task of dissipating heat During the welding process, welding to the smooth bottom of the electrode or to the outer surface of a central electrode would not be possible with a material that is a good conductor of current and therefore also a good conductor of heat, such as copper.
  • GB-PS 243 700 proposes to butt-weld copper strands to the supply lines to an evacuated discharge vessel, which should consist of tungsten or molybdenum, which are held together at the end by a metal ring.
  • copper tips can be welded well with different materials, but they are not up to the high current load required for surge arresters and the associated mechanical forces.
  • DE-OS 2 160 115 and 2 714 248 show gas-filled surge arresters with connecting pins, the length of which is a multiple of their diameter. If these spigots are made of copper, they will melt and collapse when a copper connecting wire is welded on.
  • connection wires that have a diameter of about 1 mm, this leads to unequal temperatures of the two parts to be connected, a usable connection cannot be achieved.
  • the present invention is based on the object of designing the electrodes of a gas discharge surge arrester in such a way that long-term resistance welding for welding the connecting wires of e.g. 1 mm diameter can be used that this long-term resistance welding can be made with automatic welding machines for economic reasons and that mechanically and electrically reliable connections can be achieved.
  • This object is achieved by the characterizing features of patent claim 1.
  • the design and dimensioning according to the invention enables a secure welded connection.
  • the coordinated, reduced heat dissipation from the welding zone of the electrode achieves the same high temperature of the two parts to be connected, which is particularly necessary for welding copper to copper.
  • the mechanical strength and electrical load-bearing capacity of the connection are guaranteed.
  • two configurations are possible for the pin. Either it is created during the manufacture of the electrode without machining by direct shaping, for example in an extrusion process, or it is formed after the manufacture of the electrode by machining, for example by milling.
  • a cup-shaped electrode with a thickened bottom projects into the interior of the gas discharge surge arrester on the bottom side, which points outward, in the interior of the bowl, a pin.
  • an annular central electrode additionally carries a pin on at least one peripheral point on its outside.
  • a tubular insulator 1 carries a cup-shaped electrode 2 or 3 at its two ends and an annular central electrode 4.
  • the edge of the cup-shaped electrodes lies on the end faces of the insulator 1 and protrude axially into the interior of the insulator 1 with their solid bottoms.
  • a cylindrical pin 5 made of the same material, for example copper, sits centrally and points outward.
  • the end face of an electrical connecting wire 6 made of copper is welded onto the outer end face of the pin.
  • the diameter of the pin 5 is approximately nine tenths, the axial length approximately six tenths as the optimum from the range five to eight tenths of the diameter of the connecting wire 6.
  • the central electrode 4 with a larger outer diameter than that of the insulator 1 carries a radial one at a peripheral point protruding pin 7 with the same dimensions as the pin 5.
  • the end face of a connecting wire 8 made of copper is welded onto the outer end face of the pin 7.
  • the pins 5 and 7 are formed, at least in their rough dimensions, simultaneously with the manufacture of the electrodes 2, 3 and 4, for example by an extrusion process. Machining rework is advantageous for precise dimensioning.
  • a two-section gas discharge surge arrester is shown in longitudinal section, in which two tubular insulators 9 and 10 are axially aligned with an axially intermediate annular center electrode 11 and at their other ends with a cup-shaped electrode 12 and 13 respectively
  • the inside of the electrodes 11 to 13 are each made solid with opposing stair-shaped active electrode surfaces. They are made of copper.
  • the edges of the electrodes 12 and 13 rest on the respective end faces of the insulators 9 and 10.
  • Ring grooves are milled into each of the bowl bases, thereby forming pins 14, the outer end faces of which do not protrude beyond the outside of the bowl bases.
  • the outer end faces of the pins 14 are the welding connection surfaces with the end faces of connecting wires 15 made of copper.
  • the pins 14 again have a diameter of approximately nine tenths and a length of approximately six tenths of the wire diameter.
  • a radially outwardly projecting pin 16 is formed at an outer peripheral point of the center electrode 11 by radial milling of an annular groove, and a connecting wire 17 made of copper is welded onto its outer end face.
  • the dimensioning corresponds to that of the pin 14.
  • FIGS. 5 and 6 corresponds to that of FIGS. 3 and 4, only with the difference that the annular groove, which forms the pin 18 on the outer axis of the central electrode, is expanded, so that a whole of the central electrode 11 Segment, apart from the pin 18, is lifted off. That means there is no edge part of the center electrode 11 which coaxially surrounds the pin 18.
  • a connecting wire 19 is welded onto the pin 18. The dimensioning corresponds to that of the pin 16.

Landscapes

  • Manufacturing Of Electrical Connectors (AREA)
  • Connections Effected By Soldering, Adhesion, Or Permanent Deformation (AREA)
  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)
  • Details Of Resistors (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft Elektroden eines Gasentladungs-Überspannungsableiters gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Leistungsfähige Überspannungsableiter müssen Stossströme < 10 kA ableiten können. Bei Zweistrecken-Überspannungsableitern bedeutet dies, dass über eine gemeinsame Mittelelektrode ein Summenstrom < 20 kA fliesst. Solch hohe Stossströme bewirken bei elektrischen Anschlussverbindungen über federnd berührende Kontakte ein Spratzen des Kontaktwerkstoffes und beschädigen dadurch die Fassungen. Eine bessere elektrische Anschlussverbindung für solche Ströme bieten eingelötete Anschlussdrähte, die im allgemeinen aus Kupfer bestehen und dann einen Durchmesser von etwa 1 mm besitzen. Für das Elektrodenmaterial wird aus elektrischen und wirtschaftlichen Gründen vorzugsweise ebenfalls Kupfer gewählt. Die feste Verbindung zwischen Elektrode und Anschlussdraht kann dann durch Löten oder Schweissen hergestellt werden.
  • Derartige Elektroden sind aus der DE-OS 2 828 650 bekannt. Zum einen ist dort die Möglichkeit beschrieben, einen Rohrniet auf den Boden der napfförmigen Elektrode aufzulöten und den Anschlussdraht dann im Rohrniet einzuquetschen (Fig. 4). Zum anderen ist für eine Schweissverbindung vorgesehen, auf den Boden der napfförmigen Elektrode einen Zylinder «anzupressen", dessen Durchmesser etwa 1,5mal so gross wie der Anschlussdrahtdurchmesser ist. Der Anschlussdraht ist stumpf auf diesen Zylinder aufgeschweisst. Dieser Zylinder hat die Aufgabe, die Wärmeabfuhr während des Schweissvorganges zu reduzieren. Eine Schweissung auf den glatten Boden der Elektrode bzw. auf die Mantelfläche einer Mittelelektrode wäre bei gut stromleitendem und damit auch gut wärmeleitendem Material, wie es Kupfer darstellt, nicht möglich. Für Kupferelektroden ist dort vorgeschlagen, im Bereich der elektrischen Anschlüsse gut schweissbares Material anzubringen und daran Anschlussdrähte aus Kupfer anzuschweissen. Aber auch bei diesen Vorschlägen ist eine Schweissverbindung nur als Kurzzeitschweissung möglich, etwa als Impuls-Widerstandsschweissung. Diese ergibt aber vor allem bei einer Verbindung von-Kupfer auf Kupfer unzuverlässige Verbindungen.
  • Die GB-PS 243 700 schlägt vor, an die Zuleitungen zu einem evakuierten Entladungsgefäss, welche aus Wolfram oder Molybdän bestehen sollen, Kupferlitzen stumpf anzuschweissen, welche mit einem Metallring stirnseitig zusammengehalten sind. Kupferfitzen lassen sich im Gegensatz zu Kupferdrähten mit unterschiedlichen Materialien gut verschweissen, sind aber der für Überspannungsableiter geforderten hohen Strombelastung und den damit verbundenen mechanischen Kräften nicht gewachsen.
  • Die DE-OS 2 160 115 und 2 714 248 zeigen gasgefüllte Überspannungsableiter mit Anschlusszapfen, deren Länge ein mehrfaches ihrer Durchmesser betragen. Sofern diese Zapfen aus Kupfer bestehen, werden sie beim Anschweissen eines Anschlussdrahtes aus Kupfer schmelzen und in sich zusammenbrechen.
  • Gemäss Hütte 11 A, 28. Auflage, 1954, Seite 26, soll beim Stumpfschweissen von Kupfer auf Kupfer ein Teil konisch verjüngt werden. Bei Anschlussdrähten, die einen Durchmesser von etwa 1 mm besitzen, führt das zu ungleichen Temperaturen der beiden zu verbindenden Teile, eine brauchbare Verbindung ist nicht erreichbar.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt bei einem Überspannungsableiter gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 die Aufgabe zugrunde, die Elektroden eines Gasentladungs-Überspannungsableiters so zu gestalten, dass eine Langzeit-Widerstandsschweissung zum Anschweissen der Anschlussdrähte von z.B. 1 mm Durchmesser eingesetzt werden kann, dass diese Langzeit-Widerstandsschweissung aus Wirtschaftlichkeitsgründen mit Schweissautomaten hergestellt werden kann und dass dadurch mechanisch und elektrisch zuverlässige Verbindungen erreichbar sind. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Die erfindungsgemässe Gestaltung und Dimensionierung ermöglicht eine sichere Schweissverbindung. Durch die abgestimmte reduzierte Wärmeabfuhr aus der Schweisszone der Elektrode wird die insbesondere für die Schweissung von Kupfer auf Kupfer notwendige gleich hohe Temperatur der beiden zu verbindenden Teile erreicht. Die mechanische Festigkeit und elektrische Tragfähigkeit der Verbindung sind gewährleistet.
  • Grundsätzlich sind zwei Ausgestattungen für den Zapfen möglich. Entweder entsteht er gleich bei der Herstellung der Elektrode ohne spanabhebende Bearbeitung durch direktes Ausformen beispielsweise in einem Fliesspressverfahren, oder er wird nach der Herstellung der Elektrode durch spanabhebende Bearbeitung beispielsweise durch Fräsen ausgebildet.
  • Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung trägt jeweils eine napfförmige mit verdicktem Boden ins Innere des Gasentladungs-Überspannungsableiters ragende Elektrode auf der nach aussen zeigenden Bodenseite im Napfinneren einen Zapfen. Nach einer weiteren Ausgestaltung trägt bei einem Zweistrecken-Überspannungsableiter zusätzlich eine ringförmige Mittelelektrode an mindestens einer peripheren Stelle ihrer Aussenseite einen Zapfen.
  • In den Figuren der Zeichnung sind Ausführungsbeispiete der Erfindung dargestellt. Dabei zeigen
    • Fig. 1 die Ansicht und
    • Fig. 2 die axiale Draufsicht auf einen Zweistrekken-Gasentladungs-Überspannungsableiter, bei dem die Zapfen aus dem Niveau der umgebenden Elektrodenflächen herausragen;
    • Fig. 3 den Längsschnitt und
    • Fig. 4 die axiale Draufsicht auf einen Zweistrekken-Gasentladungs-Überspannungsableiter, bei dem die Zapfen durch Einfräsen in die umgebende Elektrodenoberfläche entstanden sind und nicht über diese Flächen hinausragen;
    • Fig. 5 und 6 eine Variante der Fig. 3 und 4 bezüglich der Mittelelektrode.
    • Für Ausführungen als Einstreckenableiter sind in den Figuren sinngemäss die jeweiligen Mittelelektroden wegzudenken.
  • In Fig. 1 ist ein Zweistrecken-Gasentladungs- Überspannungsableiter dargestellt, bei dem ein rohrförmiger Isolator 1 an seinen zwei Enden jeweils eine napfförmige Elektrode 2 bzw. 3 trägt und eine ringförmige Mittelelektrode 4. Die napfförmigen Elektroden liegen mit ihrem Rand auf den Stirnflächen des Isolators 1 auf und ragen mit ihren massiven Böden axial in das Innere des Isolators 1 hinein. Auf dem Boden der napfförmigen Elektroden 2 und 3 sitzt zentral und nach aussen weisend jeweils ein zylinderförmiger Zapfen 5 aus demselben Material, beispielsweise Kupfer. Auf der äusseren Stirnfläche des Zapfens ist die Stirnfläche eines elektrischen Anschlussdrahtes 6 aus Kupfer aufgeschweisst. Der Durchmesser der Zapfens 5 beträgt etwa neun Zehntel, die axiale Länge etwa sechs Zehntel als Optimum aus dem Bereich fünf bis acht Zehntel des Durchmessers des Anschlussdrahtes 6. Die MitteIelektrode 4 mit grösserem äusseren Durchmesser als der des Isolators 1 trägt an einer peripheren Stelle einen radial herausragenden Zapfen 7 mit derselben Dimensionierung wie die Zapfen 5. Auf die äussere Stirnfläche des Zapfens 7 ist die Stirnfläche eines Anschlussdrahtes 8 aus Kupfer aufgeschweisst.
  • Die Zapfen 5 und 7 entstehen zumindest in ihren groben Ausmassen gleichzeitig mit der Herstellung der Elektroden 2, 3 und 4 beispielsweise durch ein Fliesspressverfahren. Für die genaue Dimensionierung ist ein spanabhebendes Nacharbeiten vorteilhaft.
  • In Fig. 3 ist im Längsschnitt ein Zweistrecken-Gasentladungs-Überspannungsableiter dargestellt, bei dem zwei rohrförmige Isolatoren 9 und 10 axial fluchtend mit einer axial dazwischenliegenden ringförmigen Mittelelektrode 11 verbunden sind und an ihren anderen Enden mit jeweils einer napfförmigen Elektrode 12 bzw. 13. Auf ihren Innenseiten sind die Elektroden 11 bis 13 jeweils massiv ausgeführt mit einander gegenüberstehenden treppenförmigen aktiven Elektrodenoberflächen. Sie bestehen aus Kupfer. Die Ränder der Elektroden 12 und 13 liegen wieder auf den jeweiligen Stirnflächen der Isolatoren 9 und 10 auf. In die Napfböden sind jeweils Ringnuten eingefräst und dadurch Zapfen 14 gebildet, deren äusseren Stirnflächen die Aussenseiten der Napfböden nicht überragen. Die äusseren Stirnflächen der Zapfen 14 sind die Schweissverbindungsflächen mit den Stirnflächen von Anschlussdrähten 15 aus Kupfer. Die Zapfen 14 haben wieder einen Durchmesser von etwa neun Zehntel und eine Länge von etwa sechs Zehntel der Drahtdurchmesser.
  • An einer äusseren peripheren Stelle der Mittelelektrode 11 ist durch radiales Einfräsen einer Ringnut ein radial nach aussen ragender Zapfen 16 gebildet, auf dessen äussere Stirnfläche ein Anschlussdraht 17 aus Kupfer aufgeschweisst ist. Die Dimensionierung entspricht der des Zapfens 14.
  • Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem der Fig. 3 und 4, lediglich mit dem Unterschied, dass die Ringnut, die den Zapfen 18 auf der Aussenachse der Mittelelektrode bildet, erweitert ist, so dass von der Mittelelektrode 11 ein ganzes Segment, abgesehen von dem Zapfen 18, abgehoben ist. Das heisst es gibt keinen Randteil der Mittelelektrode 11, der den Zapfen 18 koaxial umgibt. Auf den Zapfen 18 ist ein Anschlussdraht 19 aufgeschweisst. Die Dimensionierung entspricht der des Zapfens 16.

Claims (6)

1. Aus Kupfer bestehende Elektrode (2, 3, 4, 11, 12, 13) eines Gasentl'adungs-Überspannungsab- leiters, mit der ein ebenfalls aus Kupfer bestehender Zapfen (5, 7, 14, 16, 18) einstückig verbunden ist, an den mittels Widerstands-Stumpfschweissung ein Anschlussdraht (6, 8, 15, 17, 19) aus Kupfer angeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Anschlussdrahtes (6, 8, 15, 17, 19) von der Grössenordnung 1 mm ist und dass der Zapfen (5, 7, 14, 16, 18) einen Durchmesser von etwa neun Zehntel und eine Länge von fünf bis acht, vorzugsweise sechs, Zehntel des Durchmessers des anzuschweissenden Kupferdrahtes (6, 8, 15, 17, 19) aufweist.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (5, 7) bei der Herstellung der Elektrode (2, 3, 4) im Fliesspressverfahren an die Elektrode angeformt wird.
3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zapfen (14, 16, 18) nach der Herstellung der Elektrode (11, 12, 13) durch spanabhebende Bearbeitung ausgebildet wird.
4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie napfförmig und mit verdicktem Boden ausgebildet ist und auf der nach aussen zeigenden Bodenseite im Hapfinneren einen Zapfen (5, 14) trägt.
5. Verwendung von Elektroden nach einem der Ansprüche 1-4 bei einem Einstrecken-Gasentladungs-Überspannungsableiter mit zwei Elektroden.
6. Verwendung von Elektroden bei einem Zweistrecken-Gasentladungs-Überspannungsableiter mit zwei Elektroden nach einem der Ansprüche 1-4 und einer zusätzlichen ringförmigen Mittelelektrode (4, 11), weiche Anspruch 1 entspricht.
EP81101084A 1980-02-19 1981-02-16 Elektrode eines Gasentladungs-Überspannungsableiters und damit ausgerüsteter Überspannungsableiter Expired EP0034360B1 (de)

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EP0034360A1 EP0034360A1 (de) 1981-08-26
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