WO2016206892A1 - Überspannungsableiter mit verbessertem isolationswiderstand - Google Patents

Überspannungsableiter mit verbessertem isolationswiderstand Download PDF

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WO2016206892A1
WO2016206892A1 PCT/EP2016/061577 EP2016061577W WO2016206892A1 WO 2016206892 A1 WO2016206892 A1 WO 2016206892A1 EP 2016061577 W EP2016061577 W EP 2016061577W WO 2016206892 A1 WO2016206892 A1 WO 2016206892A1
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surge arrester
eli
electrodes
active region
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Eduard DORSCH
Frank Werner
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Epcos AG
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    • 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
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel
    • 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
    • H01T4/10—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

Definitions

  • the invention relates to surge arresters, e.g. As those with spark gap that can protect sensitive circuit elements from strong surges.
  • Surge arresters with a spark gap generally have two electrodes that are spatially separated and electrically insulated from one another. Occurs in a circuit of a voltage pulse to uner ⁇ wünschter that exceeds the activation voltage of the interconnected in the circuit of the surge arrester via ⁇ , the electric power can by a charge transfer between the two electrodes - z. B. against mass - are derived.
  • a surge arrester activated during a surge current load, so propose a charge carrier, ia electron, the cathode to the anode, which on the one hand represents a strong Be ⁇ utilization of the anode material.
  • the electrical properties, in particular the insulation resistance after a surge current load, of Abieitern worsen with increasing activation number.
  • a surge arrester which comprises a first electrode made of an electrically conductive material and a second electrode made of an electrically conductive material.
  • the drain also includes a discharge space, which is provided to allow an electrical charge between the two electrodes.
  • the discharge space has a first active region and a second active region.
  • the Abieiter further comprises an insulation space with an electrical insulator.
  • the electrical insulator is intended to mechanically connect and galvanically separate the two electrodes.
  • the distance between the electrodes in the first active region of the discharge space is smaller than the distance between the electrodes in the second active region.
  • the second active area shields the isolation space from the first active area.
  • the discharge space rich in two different loading is divided and, in particular, the first active Be ⁇ rich at a smaller distance between the two electrodes, the charge transfer is condensed in the first active region.
  • the second active region shields the emp ⁇ -sensitive insulation space from the first active region off and the second active region due to the greater distance between the electrodes contributes less to the activity of Abieiters, the insulation space, and in particular the electrical insulator contained therein is in front of a Steaming protected with conductive particles of the anode.
  • anode material is distributed inside the Abieiters. Due to the shielding effect of the second active region, however, essentially only surfaces in the discharge space, ie essentially the electrodes themselves, are vapor-deposited. The insulator in the insulation space is thus not short-circuited and the insulation resistance of Abieiters can work reliably even after a high number of surge loads.
  • the proposed surge absorber is also found in conventional standards for evaluating the performance of dischargers, in which a Abieiter is exposed to a large number of different pulses of different duration, different edge steepness of the voltage, different current intensity, etc.
  • the second active area can surround the first active area. Furthermore, it is possible for the insulation space to surround the discharge space. In other words, the isolation space is located on one side of the second, less active region while the first, more active region is located on the other side of the second active region. As a result, the second active region can very effectively shield the first, more active region from the insulation space.
  • first active region and the second active region as well as the insulation space are arranged coaxially in one another and to be rotationally symmetrical in shape. Due to the rotational symmetry, it is particularly easy to form a second active region, which is annularly closed and surrounds the first, more active region. It is possible that the two electrodes in the second active region are shaped like pin-cup type electrodes.
  • the one electrode is a segment of Oberflä ⁇ che, z. B. has an inner or outer circumferential surface, which corresponds to a corresponding segment of the other electrode, corresponding to an outer or inner surface of a cylinder jacket, ge ⁇ stands.
  • the distance between the electrodes can be constant over wide segments.
  • the first electrode is rotationally symmetrical and has an annular recess. It is also possible that the second electrode is rotationally symmetrical ⁇ shaped and has a central recess on ⁇ .
  • the second electrode protrude into the annular recess of the first electrode and for the first electrode to have a central elevation which projects into the central recess of the second electrode.
  • the first electrode may have a cross section through the axis of symmetry, which is shaped similar to the letter W.
  • the second electrode may have a cross-section passing through the axis of symmetry, which is similar to the shape of the letter U.
  • the surge arrester further comprises a first contact electrode and a second contact electrode.
  • the first contact electrode connecting the first Elect ⁇ rode mechanically with the insulator.
  • the second contact electrode mechanically connects the second electrode to the insulator.
  • the contact electrodes are thus the peripheral interface of the Abieiters.
  • the two contact electrodes and the insulator one with a gas, for.
  • a gas for.
  • the two opposing electrodes are arranged at different distances in the different active regions.
  • the surge arrester is then a gas discharge surge arrester.
  • the material of the first electrode includes W (tungsten) or Cu (copper). Further, it is possible that the material of the second electrode comprises tungsten or copper. Further, it is possible that the material of the insulators ⁇ gate comprises a ceramic. In addition, it is possible that the material of the first and the second contact electrode comprises copper.
  • the insulator may have a composition in which 94% of aluminum oxide, for example Al 2 O 3 , are contained.
  • Such a surge arrester can be activated in an operating frequency range of 50 to 60 Hz alternating current at a voltage ramp of 100 V / s and at an applied clamping ⁇ voltage which is 600 V ⁇ . In this way, a surge arrester can protect, in particular, current or voltage surges caused by lightning strikes, usually with 5 kV / ys and voltages in the kV range.
  • the material of the first electrode consists of 70% tungsten and 30% copper.
  • the material of the second electrode is also made of 70% tungsten and 30% copper.
  • the material of the isolator ⁇ tors consists of a ceramic and the material of the first and the second contact electrode is made of copper. It is also possible that a side facing the interior of the surge arrester side of the first and / or the two ⁇ th contact electrode, an additional coating, the z. B. tungsten or consists of tungsten, has. Although it is preferred that the charge exchange between the electrodes and not between an electrode and a contact electrode of the opposite polarity takes place. Such a coating makes this a protective film for the case that a portion of the stream takes a direct route to the Kon ⁇ clock electrode, is.
  • the material of the insulator a gradation, for. B. in the vicinity of a contact electrode , on ⁇ has to increase the insulation resistance in addition.
  • an additional insulation between the two contact electrodes can then be provided on one side of a contact electrode.
  • the surge arrester may have a height between 10 and 20 mm, e.g. B. 15 mm, have.
  • the Abieiter can also have a
  • the distance dl in the first active region can be between 1.2 and 1.5, z. B. at 1.35 mm, lie.
  • the distance d2 in the second active area may be greater than 1.35 mm.
  • Inner and / or outer material edges may be rounded or chamfered to avoid peak stresses at undesirable locations.
  • certain sections of the electrodes, in particular in the first active region can have a particularly sharply defined edge in order to localize the electrical charge transfer.
  • edges are preferably rounded.
  • FIG. 1 shows the arrester the underlying function ⁇ principle.
  • the arrester ABL comprises a first electrode ELI and a second electrode EL2.
  • the first electrode ELI and the second electrode EL2 are connected via an insulator IS and galvanically separated by the insulator IS.
  • the arrester ABL has a first active region ABl with a first distance dl between the first electrode ELI and the second electrode EL2.
  • the arrester further has a second active region AB2 with a second distance d2 between the first electrode ELI and the second electrode EL2.
  • the arrester ABL has the sensitive insulation space IR, in which the insulator IS is arranged.
  • an arrester ABL practically constitutes a sputtering chamber, in which electrode material can be vaporized, which later precipitates on insides of the arrester.
  • Insulation space IR with electrically conductive material vaporized an electrically conductive bridge would be formed between the electrodes ELI, EL2 and the Abieiter ABL would have a significantly increased electrical conductivity, whereby the circuit to be protected would be short-circuited. Therefore, the insulation space IR is to be protected from vapor deposition with electrically conductive material.
  • the second active region AB2 or parts of the electrode assigned to the second active region act as a barrier for vaporized anode material, so that deposition of
  • FIG. 2 shows for comparison a conventional Abieiter of
  • Pin-cup type (English: pin-cube-design). A pin electrode protrudes into a cup electrode and material of the anode can pass directly from the peri ⁇ pheren region of the electrodes to the insulator and short circuit it (represented by the arrow). The path of anode material in a drain according to the idea shown here ends before the insulator.
  • FIG. 3 shows an advantageous embodiment in which the first electrode ELI and the second electrode EL2 are rotationally symmetrical in shape. Accordingly, Figure 3 shows a
  • the first electrode ELI has an annular recess.
  • the second electrode EL2 has a central recess.
  • the first electrode ELI additionally has a central elevation which projects into the central recess of the second electrode EL2.
  • the second electrode EL2 extends into the annular Ausneh ⁇ mung the first electrode ELI.
  • the distance dl between the first electrode and the second electrode EL2 ELI is less than the distance d2 in a second active region in AB2 ei ⁇ nem first active region OJ.
  • the second active region AB2 thus provides a barrier for the anode material which is knocked out in the first active region OJ,.
  • the insulator IS is ge ⁇ with anode material protects very well before vapor deposition.
  • the Abieiter via a first contact electrode KEL1 and via a second contact electrode KEL2, the mechanical see see contact between the electrodes ELI, EL2 and the insulator IS produce possible.
  • Figure 4 shows an embodiment of the surge arresters ters, in which additional measures to optimize the electrical properties, in particular the Langzeitverhal ⁇ least, are included.
  • the second contact electrode KEL2 comprises a coating B, which protects the material of the second contact electrode KEL2 against direct charging of charge from the cathode.
  • the isolator IS has a grading ABS to improve the insulation.
  • Gradation ABS is also provided an additional isolation ZI against leakage currents. Especially in places where a lower level of charge transfer is desired, e.g. On edges in the second active area AB2, the edges have a chamfer F or rounded edges AGK.
  • the volume V inside the outlet ABL is preferably hermetically sealed and filled with a gas or gas mixture whose composition is selected according to the requirements of the electrical properties.
  • the surge arrester is not limited to the embodiments shown. Abieiter with further more or less active areas and additional barriers between areas of strong charge transfer and to be protected
  • ABL surge arrester

Landscapes

  • Gas-Insulated Switchgears (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)

Abstract

Es wird ein Überspannungsableiter angegeben, dessen elektrische Eigenschaften sich mit zunehmender Anzahl an Aktivierungen verglichen mit konventionellen Ableitern weniger verschlechtern. Dazu umfasst ein Ableiter zwei Elektroden, einen Entladungsraum mit zwei aktiven Bereichen und einen Isolationsraum. Der Abstand der Elektroden in einem ersten aktiven Bereich ist dabei kleiner als der Abstand zwischen den Elektroden im zweiten aktiven Bereich.

Description

Beschreibung
Überspannungsabieiter mit verbessertem Isolationswiderstand Die Erfindung betrifft Überspannungsabieiter, z. B. solche mit Funkenstrecke, die empfindliche Schaltungselemente vor starken Stromstößen schützen können.
Überspannungsabieiter mit Funkenstrecke weisen i.a. zwei räumlich voneinander getrennte und elektrisch voneinander isolierte Elektroden auf. Tritt in einem Stromkreis ein uner¬ wünschter Spannungspuls auf, der die Aktivierungsspannung des im Stromkreis verschalteten Überspannungsabieiters über¬ schreitet, so kann die elektrische Leistung durch einen La- dungstransfer zwischen den beiden Elektroden - z. B. gegen Masse - abgeleitet werden.
Überspannungsabieiter sind z. B. aus den Veröffentlichungsschriften DE 102005036265 AI und DE 102008 029094 AI bekannt. Dabei zeigt die DE 102008036265 AI Überspannungsabieiter vom Stift-Napf-Typ bzw. vom Stift-Rohr-Typ.
Wird ein Überspannungsabieiter während einer Stoßstrombelastung aktiviert, so schlagen Ladungsträger, i.a. Elektronen, der Kathode auf der Anode ein, was zum einen eine starke Be¬ lastung für das Anodenmaterial darstellt. Auch zeigt sich zum anderen, dass sich die elektrischen Eigenschaften, insbesondere der Isolationswiderstand nach einer Stoßstrombelastung, von Abieitern mit zunehmender Aktivierungszahl verschlech- tern.
Es besteht deshalb die Aufgabe, Überspannungsabieiter anzuge¬ ben, die gegenüber bisherigen Abieitern verbessert sind und dabei insbesondere auch nach vielen Aktivierungen noch zuverlässig arbeiten und einen hohen Isolationswiderstand aufwei¬ sen . Dafür wird ein Überspannungsabieiter vorgeschlagen, der eine erste Elektrode aus einem elektrisch leitenden Material und eine zweite Elektrode aus einem elektrisch leitenden Material umfasst. Der Abieiter umfasst ferner einen Entladungsraum, der dafür vorgesehen ist, eine elektrische Ladung zwischen den beiden Elektroden zu ermöglichen. Der Entladungsraum hat dabei einen ersten aktiven Bereich und einen zweiten aktiven Bereich .
Der Abieiter umfasst ferner einen Isolationsraum mit einem elektrischen Isolator. Der elektrische Isolator ist dazu vorgesehen, die beiden Elektroden mechanisch zu verbinden und galvanisch zu trennen. Der Abstand der Elektroden im ersten aktiven Bereich des Entladungsraums ist dabei kleiner als der Abstand der Elektroden im zweiten aktiven Bereich. Der zweite aktive Bereich schirmt den Isolationsraum vom ersten aktiven Bereich ab.
Es ist also vorgesehen, dass der Ladungstransfer im Entladungsraum des Überspannungsabieiters stattfindet. Es ist fer- ner vorgesehen, dass der Isolationsraum die beiden Elektroden galvanisch trennt.
Es wurde erkannt, dass beim Aktivieren eines Abieiters Ano¬ denmaterial aus der Anode herausgelöst wird. Dieses herausge- löste Anodenmaterial kann sich auf dem Isolator, der die bei¬ den Elektroden elektrisch trennt, niederschlagen. Damit wird mit zunehmender Aktivierungszahl eine elektrische Brücke, d. h. eine galvanische Verbindung mit immer geringer werdendem elektrischen Widerstand, zwischen den beiden Elektroden gebildet, wodurch sich die Isolationsspannung verringert.
Dadurch, dass der Entladungsraum in zwei unterschiedliche Be- reiche aufgeteilt wird und insbesondere der erste aktive Be¬ reich einen geringeren Abstand zwischen den beiden Elektroden aufweist, wird der Ladungstransfer im ersten aktiven Bereich gebündelt. Dadurch, dass der zweite aktive Bereich den emp¬ findlichen Isolationsraum vom ersten aktiven Bereich ab- schirmt und der zweite aktive Bereich aufgrund des größeren Abstands zwischen den Elektroden weniger zur Aktivität des Abieiters beiträgt, ist der Isolationsraum und insbesondere der darin enthaltene elektrische Isolator vor einem Bedampfen mit leitenden Partikeln der Anode geschützt. Es ist zwar wei- terhin möglich, dass Anodenmaterial im Inneren des Abieiters verteilt wird. Aufgrund der abschirmenden Wirkung des zweiten aktiven Bereichs werden dabei im Wesentlichen jedoch lediglich Oberflächen im Entladungsraum, also im Wesentlichen die Elektroden selbst, bedampft. Der Isolator im Isolationsraum wird dadurch nicht kurzgeschlossen und der Isolationswiderstand des Abieiters kann auch nach einer hohen Anzahl an Stoßstrombelastungen zuverlässig arbeiten.
Auf den ersten Blick problematisch scheint das Hinzufügen ei- nes zusätzlichen Bereichs im Entladungsraum, da Überspannungsabieiter in ihren räumlichen Abmessungen häufig normiert sind und deshalb die Baugröße nicht willkürlich vergrößert werden kann. Der Vorteil der Aufteilung des Entladungsraums in zwei aktive Bereiche mit unterschiedlichem Elektrodenab- stand besteht nun darin, dass der zusätzliche Platzbedarf aufgrund des geringeren Abstands im ersten aktiven Bereich nur so hoch ausfällt, dass der Überspannungsabieiter mit der neuen Topologie des Entladungsraums den üblichen Anforderun¬ gen bezüglich der räumlichen Abmessungen genügen kann.
Da die elektrische Entladung im Entladungsraum nun auf einen weiteren aktiven Bereich verteilt ist, sinkt die lokale Be¬ lastung der Anode zusätzlich, da die gesamte aktive Fläche, die der Entladung zur Verfügung steht, vergrößert ist.
Dadurch ist auch die Strombelastbarkeit des Abieiters positiv beeinflusst .
Der vorgeschlagene Überspannungsabieiter zeigt sich dabei auch in üblichen Normen zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Abieitern, bei denen ein Abieiter einer Vielzahl an unterschiedlichen Impulsen unterschiedlicher Dauer, unter- schiedlicher Flankensteilheit der Spannung, unterschiedlicher Stromstärke usw. ausgesetzt wird.
Es ist möglich, dass der zweite aktive Bereich den ersten aktiven Bereich umgibt. Ferner ist es möglich, dass der Isola- tionsraum den Entladungsraum umgibt. Mit anderen Worten: Der Isolationsraum befindet sich auf einer Seite des zweiten, weniger aktiven Bereichs, während der erste, aktivere Bereich auf der jeweils anderen Seite des zweiten aktiven Bereichs angeordnet ist. Dadurch kann der zweite aktive Bereich den ersten, aktiveren Bereich sehr wirkungsvoll vom Isolationsraum abschirmen.
Es ist ferner möglich, dass der erste aktive Bereich und der zweite aktive Bereich sowie der Isolationsraum koaxial inei- nander angeordnet und rotationssymmetrisch geformt sind. Durch die Rotationssymmetrie ist es besonders einfach, einen zweiten aktiven Bereich zu bilden, der ringförmig geschlossen ist und den ersten, aktiveren Bereich umgibt. Es ist möglich, dass die beiden Elektroden im zweiten aktiven Bereich wie Elektroden vom Stift-Napf-Typ geformt sind.
Das heißt, dass die eine Elektrode ein Segment der Oberflä¬ che, z. B. eine innere oder äußere Mantelfläche aufweist, die einem entsprechenden Segment der anderen Elektrode, entsprechend eine Außen- bzw. Innenfläche eines Zylindermantels, ge¬ genübersteht .
Dabei kann der Abstand der Elektroden über breite Segmente konstant sein.
Es ist möglich, dass die erste Elektrode rotationssymmetrisch geformt ist und eine ringförmige Ausnehmung aufweist. Es ist ferner möglich, dass die zweite Elektrode rotations¬ symmetrisch geformt ist und eine zentrale Ausnehmung auf¬ weist.
Dann ist es insbesondere möglich, dass die zweite Elektrode in die ringförmige Ausnehmung der ersten Elektrode ragt und die erste Elektrode eine zentrale Erhebung aufweist, die in die zentrale Ausnehmung der zweiten Elektrode ragt.
Die erste Elektrode kann dabei einen Querschnitt durch die Symmetrieachse aufweisen, die ähnlich dem Buchstaben W geformt ist. Die zweite Elektrode kann dabei einen durch die Symmetrieachse gehenden Querschnitt haben, der der Form des Buchstabens U ähnelt. Dadurch wird eine besonders gute Abschirmung des Isolations¬ raums vom ersten aktiven Bereich erhalten.
Es ist möglich, dass der Überspannungsabieiter ferner eine erste Kontaktelektrode und eine zweite Kontaktelektrode um- fasst. Die erste Kontaktelektrode verbindet die erste Elekt¬ rode mechanisch mit dem Isolator. Die zweite Kontaktelektrode verbindet die zweite Elektrode mechanisch mit dem Isolator. Über die beiden Kontaktelektroden existieren externe Anschlüsse, über die der Überspannungsabieiter leicht wie übliche Überspannungsabieiter in externe Schaltungen integriert werden kann. Die Kontaktelektroden sind somit die periphere Schnittstelle des Abieiters.
Es ist möglich, dass die beiden Kontaktelektroden und der Isolator einen mit einem Gas, z. B. einem Edelgas, gefüllten Hohlraum einschließen. Im Hohlraum sind die beiden gegenüberliegenden Elektroden mit unterschiedlichen Abständen in den unterschiedlichen aktiven Bereichen angeordnet. Der Überspannungsabieiter ist dann ein Gasentladungs-Überspannungsablei- ter .
Es ist möglich, dass das Material der ersten Elektrode W (Wolfram) oder Cu (Kupfer) umfasst. Ferner ist es möglich, dass das Material der zweiten Elektrode Wolfram oder Kupfer umfasst. Ferner ist es möglich, dass das Material des Isola¬ tors eine Keramik umfasst. Außerdem ist es möglich, dass das Material der ersten und der zweiten Kontaktelektrode Kupfer umfasst.
Der Isolator kann dabei eine Zusammensetzung aufweisen, in der 94% Aluminiumoxid, z.B. AI2O3, enthalten sind. Als Edelgase kommen insbesondere Neon und Argon in Frage. Wasserstoff als Gasfüllung für den Ableiter ist ebenfalls möglich . Ein derartiger Ableiter kann in einem Arbeitsfrequenzbereich von 50 bis 60 Hz Wechselstrom aktiviert werden bei einer Spannungsflanke von 100 V/s und bei einer anliegenden Span¬ nung, die ^ 600 V ist. Damit kann ein Überspannungsabieiter insbesondere Strom- bzw. Spannungsstöße durch Blitzeinschlag, üblicherweise mit 5 kV/ys und Spannungen im kV-Bereich, schützen .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Material der ersten Elektrode zu 70 % aus Wolfram und zu 30 % aus Kupfer. Das Material der zweiten Elektrode besteht ebenfalls zu 70 % aus Wolfram und zu 30 % aus Kupfer. Das Material des Isola¬ tors besteht aus einer Keramik und das Material der ersten und der zweiten Kontaktelektrode besteht aus Kupfer. Es ist ferner möglich, dass eine dem Innenraum des Überspannungsabieiters zugewandte Seite der ersten und/oder der zwei¬ ten Kontaktelektrode eine zusätzliche Beschichtung, die z. B. Wolfram umfassen kann oder aus Wolfram besteht, aufweist. Zwar ist bevorzugt, dass der Ladungsaustausch zwischen den Elektroden und nicht zwischen einer Elektrode und einer Kontaktelektrode der gegenüberliegenden Polarität stattfindet. Eine derartige Beschichtung stellt dabei einen Schutzfilm für den Fall, dass ein Teil des Stroms den direkten Weg zur Kon¬ taktelektrode nimmt, dar.
Es ist ferner möglich, dass das Material des Isolators eine Abstufung, z. B. in der Nähe einer Kontaktelektrode, auf¬ weist, um den Isolationswiderstand zusätzlich zu erhöhen. Im Bereich der Stufe kann dann eine zusätzliche Isolation zwischen den beiden Kontaktelektroden an einer Seite einer Kontaktelektrode vorgesehen sein. Ebenfalls ist es möglich, die nach innen gerichtete Seite des Isolators mit Stufen, Kanten und Knicken zu versehen, um Leckströme und/oder Kriechströme zu verringern.
Der Überspannungsabieiter kann eine Höhe zwischen 10 und 20 mm, z. B. 15 mm, aufweisen. Der Abieiter kann ferner eine
Breite bzw. einen Durchmesser zwischen 20 und 40 mm, z. B. 30 mm, aufweisen. Der Abstand dl im ersten aktiven Bereich kann zwischen 1,2 und 1,5, z. B. bei 1,35 mm, liegen. Der Abstand d2 im zweiten aktiven Bereich kann größer als 1,35 mm sein.
Innere und/oder äußere Materialkanten können abgerundet sein oder eine Fase aufweisen, um Spitzenspannungen an unerwünschten Stellen zu vermeiden. Umgekehrt können bestimmte Abschnitte der Elektroden, insbesondere im ersten aktiven Be- reich, besonders scharf ausgeprägte Kante aufweisen, um den elektrischen Ladungstransfer zu lokalisieren.
Insbesondere im zweiten aktiven Bereich, wo ein geringeres Maß an Ladungstransfer erwünscht ist, sind Kanten vorzugs- weise abgerundet.
Der Überspannungsabieiter und die ihm zugrundeliegenden Funktionsprinzipien sowie konkrete Ausführungsbeispiele sind durch die schematischen Figuren näher erläutert. die Aufteilung des Entladungsbereichs in zwei Teil¬ bereiche, einen üblichen Spannungsabieiter, eine Ausführungsform eines Ableiters mit ineinandergreifenden Elektroden, eine bevorzugte Ausführungsform des Ableiters mit abgerundeten Kanten, einer zusätzlichen Beschich- tung einer Kontaktelektrode, einer Abstufung im Isolator und einer zusätzlichen Isolierung.
Figur 1 zeigt das dem Ableiter zugrundeliegende Funktions¬ prinzip. Der Ableiter ABL umfasst eine erste Elektrode ELI und eine zweite Elektrode EL2. Die erste Elektrode ELI und die zweite Elektrode EL2 sind dabei über einen Isolator IS verbunden und galvanisch durch den Isolator IS getrennt. Der Ableiter ABL hat einen ersten aktiven Bereich ABl mit einem ersten Abstand dl zwischen der ersten Elektrode ELI und der zweiten Elektrode EL2. Der Ableiter hat ferner einen zweiten aktiven Bereich AB2 mit einem zweiten Abstand d2 zwischen der ersten Elektrode ELI und der zweiten Elektrode EL2. Ferner hat der Ableiter ABL den empfindlichen Isolationsraum IR, in dem der Isolator IS angeordnet ist. Da die voneinander be- abstandeten Elektroden ELI, EL2 für einen Ladungstransfer zwischen einander vorgesehen sind, stellt ein Ableiter ABL praktisch eine Sputterkammer dar, bei der Elektrodenmaterial verdampft werden kann, das sich später auf Innenseiten des Ableiters niederschlägt. Würde der Isolator IS des
Isolationsraums IR mit elektrisch leitendem Material bedampft, würde eine elektrisch leitende Brücke zwischen den Elektroden ELI, EL2 gebildet werden und der Abieiter ABL hätte eine deutlich erhöhte elektrische Leitfähigkeit, wodurch der zu schützende Stromkreis kurzgeschlossen würde. Deshalb ist der Isolationsraum IR vor dem Bedampfen mit elektrisch leitendem Material zu schützen. Dies geschieht durch den zweiten aktiven Bereich AB2, der den deutlich aktiveren ersten Bereich ABl und den Isolationsraum IR voneinander abschirmt. Dabei soll insbesondere vermieden werden, dass es eine direkte Verbindung bzw. Flugbahn vom ersten aktiven Bereich ABl zum Isolationsraum IR gibt. Der zweite aktive Bereich AB2 bzw. Teile der dem zweiten aktiven Bereich zugeordneten Elektrode wirken als Barriere für verdampftes Anodenmaterial, sodass eine Ablagerung von
Anodenmaterial im Isolationsraum höchstens durch
unwahrscheinliche Diffusionsprozesse im Gas des
Überspannungsabieiters möglich sind.
Figur 2 zeigt zum Vergleich einen üblichen Abieiter vom
Stift-Napf-Typ (englisch: pin-cube-design) . Eine Stift-Elektrode ragt in eine Napf-Elektrode und Material der Anode kann auf direktem Weg (dargestellt durch den Pfeil) aus dem peri¬ pheren Bereich der Elektroden zum Isolator gelangen und diesen kurzschließen. Der Weg von Anodenmaterial in einem Ablei- ter gemäß der hier gezeigten Idee endet schon vor dem Isolator .
Figur 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform, bei der die erste Elektrode ELI und die zweite Elektrode EL2 rotations- symmetrisch geformt sind. Entsprechend zeigt Figur 3 einen
Querschnitt durch die Symmetrieachse. Die erste Elektrode ELI weist eine ringförmige Ausnehmung auf. Die zweite Elektrode EL2 weist eine zentrale Ausnehmung auf. Die erste Elektrode ELI weist zusätzlich eine zentrale Erhebung auf, die in die zentrale Ausnehmung der zweiten Elektrode EL2 ragt. Zusätzlich ragt die zweite Elektrode EL2 in die ringförmige Ausneh¬ mung der ersten Elektrode ELI. Der Abstand dl zwischen der ersten Elektrode ELI und der zweiten Elektrode EL2 ist in ei¬ nem ersten aktiven Bereich ABl geringer als der Abstand d2 in einem zweiten aktiven Bereich AB2. Der zweite aktive Bereich AB2 stellt somit eine Barriere für Anodenmaterial, das im ersten aktiven Bereich ABl herausgeschlagen wird, dar. Der Isolator IS ist sehr gut vor Bedampfen mit Anodenmaterial ge¬ schützt .
Zusätzlich ist der Abieiter über eine erste Kontaktelektrode KEL1 und über eine zweite Kontaktelektrode KEL2, die mechani- sehen Kontakt zwischen den Elektroden ELI, EL2 und dem Isolator IS herstellen, möglich.
Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des Überspannungsablei- ters, bei dem zusätzliche Maßnahmen zur Optimierung der elektrischen Eigenschaften, insbesondere des Langzeitverhal¬ tens, enthalten sind. So umfasst die zweite Kontaktelektrode KEL2 eine Beschichtung B, die das Material der zweiten Kontaktelektrode KEL2 vor direktem Einschlagen von Ladung aus der Kathode schützt. Zusätzlich hat der Isolator IS eine Ab- stufung ABS zur Verbesserung der Isolation. Im Bereich der
Abstufung ABS ist ferner eine zusätzliche Isolation ZI gegen Leckströme vorgesehen. Insbesondere an Stellen, wo ein geringeres Maß an Ladungstransfer gewünscht ist, z. B. an Kanten im zweiten aktiven Bereich AB2, weisen die Kanten eine Fase F oder abgerundete Kanten AGK auf. Das Volumen V innerhalb des Abieiters ABL ist vorzugsweise hermetisch abgedichtet und mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllt, dessen Zusammensetzung entsprechend den Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften ausgesucht ist.
Der Überspannungsabieiter ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Abieiter mit weiteren mehr oder weniger aktiven Bereichen und zusätzlichen Barrieren zwischen Bereichen starken Ladungstransfers und zu schützenden
Isolationsraumen stellen ebenso Ausführungsbeispiele dar.
Bezugs zeichenliste
ABl : erster aktiver Bereich erhöhter Aktivität
AB2 : zweiter aktiver Bereich verringerter Aktivität
ABL: Überspannungsabieiter
ABS: Abstufung im Isolator IS
AGK: abgerundete Kante
B: Beschichtung
dl : Abstand der Elektroden im ersten aktiven Bereich ABl d2 : Abstand der Elektroden im zweiten aktiven Bereich AB2
ELI : erste Elektrode
EL2 : zweite Elektrode
F: Fase
IR: Isolationsraum ohne Aktivität
IS: Isolator
KEL1 : erste Kontaktelektrode
KEL2 : zweite Kontaktelektrode
ZI: zusätzliche Isolation

Claims

Patentansprüche :
1. Überspannungsabieiter (ABL), umfassend
- eine erste Elektrode (ELI) aus einem elektrisch leitenden Material und eine zweite Elektrode (EL2) aus einem elektrisch leitenden Material,
- einen Entladungsraum (ABl, AB2), der dazu vorgesehen ist, eine elektrische Entladung zwischen den beiden Elektroden (ELI, EL2) zu ermöglichen, mit einem ersten aktiven Bereich (ABl) und einem zweiten aktiven Bereich (AB2),
- einen Isolationsraum (IR) mit einem elektrischen Isolator (IS), der dazu vorgesehen ist, die beiden Elektroden (ELI, EL2) mechanisch zu verbinden und galvanisch zu trennen, wobei
- der Abstand dl der Elektroden (ELI, EL2) im ersten aktiven Bereich (ABl) kleiner ist als der Abstand d2 im zweiten aktiven Bereich (AB2) und
- der zweite aktive Bereich (AB2) den Isolationsraum (IR) vom ersten aktiven Bereich (ABl) abschirmt.
2. Überspannungsabieiter nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- der zweite aktive Bereich (AB2) den ersten aktiven Bereich (ABl) umgibt und
- der Isolationsraum (IR) den Entladungsraum (ABl, AB2) umgibt .
3. Überspannungsabieiter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste aktive Bereich (ABl), der zweite aktive
Bereich (AB2) und der Isolationsraum (IR) koaxial ineinander angeordnet und rotationssymmetrisch geformt sind.
4. Überspannungsabieiter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die beiden Elektroden (ELI, EL2) im zweiten aktiven Bereich (AB2) wie Elektroden vom Stift-Napf-Typ geformt sind.
5. Überspannungsabieiter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Elektrode (ELI) rotationssymmetrisch geformt ist und eine ringförmige Ausnehmung aufweist.
6. Überspannungsabieiter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (EL2) rotationssymmetrisch geformt ist und eine zentrale Ausnehmung aufweist.
7. Überspannungsabieiter nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, wobei
- die zweite Elektrode (EL2) in die ringförmige Ausnehmung der ersten Elektrode (ELI) ragt und
- die erste Elektrode (ELI) eine zentrale Erhebung aufweist, die in die zentrale Ausnehmung der zweiten Elektrode (EL2) ragt .
8. Überspannungsabieiter nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend
- eine erste Kontaktelektrode (KEL1), die die erste Elektrode (ELI) mit dem Isolator (IS) verbindet und
- eine zweite Kontaktelektrode (KEL2), die die zweite
Elektrode (EL2) mit dem Isolator (IS) verbindet.
9. Überspannungsabieiter nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- die beiden Kontaktelektroden (KEL1, KEL2) und der Isolator (IS) einen mit einem Edelgas gefüllten Hohlraum einschließen, in dem die beiden Elektroden (ELI, EL2) angeordnet sind und
- der Überspannungsabieiter (ABL) ein Gasentladungs- Überspannungsableiter ist.
10. Überspannungsabieiter nach einem der vorherigen
Ansprüche, wobei
- das Material der erste Elektrode (ELI) W oder Cu umfasst, - das Material der zweiten Elektrode (EL2) W oder Cu umfasst,
- das Material des Isolators (IS) eine Keramik umfasst, oder
- das Material der ersten (KEL1) und zweiten (KEL2)
Kontaktelektrode Cu umfasst.
11. Überspannungsabieiter nach dem vorherigen Anspruch, wobei
- das Material der erste Elektrode (ELI) zu 70% aus W und zu 30% aus Cu besteht,
- das Material der zweiten Elektrode (EL2) zu 70% aus W und zu 30% aus Cu besteht,
- das Material des Isolators (IS) aus einer Keramik besteht und
- das Material der ersten (KEL1) und zweiten (KEL2)
Kontaktelektrode aus Cu besteht.
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