DE2012453B2

DE2012453B2 - Gasentiadungsüberspann ungsableiter, vorzugsweise mit Edelgasfüllung

Info

Publication number: DE2012453B2
Application number: DE2012453A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Dr. Peche; Werner Dipl.-Ing. Seiffarth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-03-16
Filing date: 1970-03-16
Publication date: 1975-06-19
Also published as: DE2012453A1; FR2084660A5; AT306833B; GB1319709A; CH526866A; JPS547936B1; US3651380A

Description

βΓ

0,625 In (1 + α_ζ·Λ

aufweist und daß die koaxiale Hohlelektrode (1) aus einem zweiten, elektrisch leitenden Material \k) einen Innendurchmesser (D₄₁-) hat, der höchstens um 2d gleich 2 mm größer als der Durchmesser (D₁) der Zylinderelektrode (2) ist, während ihr Außendurchmesser (D₄₀), der höchstens 15 mm beträgt, über den Durchmesser (D₁) der Zylinderelektrode durch die Beziehung

_ t_D + ^

30

mii d als Abstand zwischen Zylinderelektrode (2) und Hohlelektrodc (1) festgelegt ist, wobei der Faktor A ein Quotient | "'^) aus zwei Produkten

\ c-y I

ist, die einerseits von dem Temperaturkoeffizienten α (1/"C) des elektrischen Widerstandes und dem spezifischen elektrischen Widerstand Q₀(U ■ cm) des jeweiligen Elektrodenmaterials und andererseits von der mittleren spezifischen Wärme c ΓγττΟ und dem spezifischen Gewicht γ (-^r) des jeweiligen Elektrodenmaterials gebildet sind, wobei weiterhin ΛΤ die jeweilige Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur und der Schmelztemperatur der Elektroden angibt und schließlich J(A) die maximal auftretende Stromstärke mit t (s) als mittlere Zeitdauer des Stromflusses ist.

2. Gasentladungs-Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderelektrode und die Hohlelektrode aus dem gleichen Material hergestellt sind, wobei der Außendurchmesser (D₄₀) der Hohlelektrode über den Durchmesser (D₂) der Zylinderelektrode (2) mit der Beziehung

- (D₂ + Uf > D₁

(3)

festgelegt ist.

3. Gasentladungs-Uberspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der faktor t ■ J² durch die maximale Stromstärke der Itärksten bekannten Blitze mit / = 10OkA und •iner mittleren Dauer von t ~ 10"⁴ s zu t · /² = 10⁶ As festgelegt ist.

4. Gasentladungs-Uberspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungs-UberspanniHigsableiter mit einem vakuumdichten Gehäuse, vorzugsweise mit Edelgasfüllung, in dem eine massive, eine Endkappe tragende Zylinderelektrode einer sie koaxial umgebenden Hohlelektrode gegenübersteht, die in Form eines Hohlzylinders mit einer Endwand ausgebildet ist und mit einem ringförmigen Isolierkörper zusammen mit der Endkappe der Zylinderelektrode das vakuumdichte Gehäuse bildet.

Derartige überspannungsableiter sind allgemein bekann· (man vergleiche beispielsweise die deutsche Patentschrift 7 14 139, wobei jedoch entgegen den heute gebräuchlichen Ausführungsformen die Hohlelektrode noch nicht einen Teil des vakuumdichten Gehäuses bildet). Neben kleinen Abmessungen und geringen Gestehungskosten sollen diese überspannungsableiter noch folgende weitere, zum Teil sich widersprechende Eigenschaften haben

Der überspannungsableiter soll atmosphärische Entladungen großer Stromstärke, d. h. Blitze ableiten können. Er muß dabei Stromimpulse bis 20 as Dauer und Stromstärken bis 100 kA mehrmals ertragen. Andererseits müssen auch Stromstärken geringerer Größe, jedoch über längere Zeiträume abgeleitet werden, beispielsweise bei einer induktiven Beeinflussung von Fernmeldeleitungen oder einem Kontakt von Fernmeldeleitungen mit Starkstromleitungen. In beiden Arten von Belastungen (kurzzeitige Belastung mit hohen Stromstärken, langzeitige Belastung mit verhältnismäßig geringen Stromstärken) wird gefordert, daß der Abieifer äußerst schnell anspricht. Nur wenn die Zündung sofort mit Einsetzen der überspannung erfolgt, ist die zu schützende Anlage auch wirksam geschützt.

Zusätzlich zur kurzen Ansprechzeit werden sogenannte »failsafew-Eigenschaften gefordert. Dies bedeutet, daß der überspannungsableiter dann, wenn er trotz seiner Fähigkeit, sowohl Wechselstrombelastungen als auch Blitzbelastungen zu ertragen, überlastet wird, einen sicheren Kurzschluß herbeiführen muß. Erreicht wird dies nur, wenn im überlastfall die Elektroden des Überspannungsabieiters zusammenschmelzen, bevor der Ableiter undicht werden würde. Ein im Uberlastfall mit Sicherheit nerbeigeführter Kurzschluß ist deshalb sehr wichtig, weil dann das zu schützende Gerät zwar vorübergehend nicht betriebsfähig ist, jedoch keine Überspannungen in das Gerät eindringen können. Die Fehlerstelle ist dabei leicht und zuverlässig aufzufinden.

überspannungsableiter, bei denen ein Kurzschluß herbeigeführt wird, sind an sich bekannt. Hierfür sind jedoch zusätzliche Konstruktionselemente erforderlich, wie z. B. Bimetallstreifen (man vergleiche die

deutsche Auslegeschrift 1286191) oder ein Schaltmittel, das z. B. aus einem leicht schmelzbaren oder leicht zerstäubenden Metall oder auch aus einem bei Erwärmung Metall abscheidenden Steif oder aus einem Bimetallkörper bestehen kann (man vergleiche die deutsche Patentschrift 6 68 589).

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen überspannungsableiter mit »fail-safe«-Eigenschaften zu schaffen, bei dem keine zusätzlichen Konstruktionselemente zur Herbeiführung eines Kurzschlusses erforderlich sind und der kleine Abmessungen aufweist, der sowohl kurzzeitige Belastungen mit hohen Stromstärken als auch langzeitige Belastungen mit verhältnismäßig geringen Stromstärken erträgt und der äußerst schnell anspricht. Zu diesem Zweck wird bei einem Gasentladungs-Uberspannungsableiter der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die Zylinderelektrode aus einem" ersten elektrisch leitenden Material (z) besteht und einen Durchmesser

'⁴

,0,625 In(I

aufweist und daß die koaxiale Hohlelektrode aus einem zweiten, elektrisch leitenden Material (k) besteht und ihr Innendurchmesser D_ki höchstens um la gleich 2 mm größer ist als der Durchmesser D₂ der Zylinderelektrode sowie ihr Außendurchmesser D_ka, der höchstens 15 mm beträgt, über den Durchmesser D₁ der Zylinderelektrode durch die Beziehung

mit d als Abstand zwischen Zylinderelektrode und Hohlelektrode festgelegt ist, wobei der Faktor A ein

Quotient

aus zwei Produkten ist, die einerseits

von dem Temperaturkoeffizienten «(1/°C) des elektrischen Widerstandes und dem spezifischen elektrischen Widerstand ο (U · cm) des jeweiligen Elektrodenmaterials und andererseits von der mittleren spezifischen Wärme c f—g] und dem spi ι fischen Ge

des jeweiligen Elektrodenmaterials

gebildet sind, wobei weiterhin IT die jeweilige Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur und der Schmelztemperatur der Elektroden angibt und schließlich J(A) die maximal auftretende Stromstärke mit ((s) als mittlere Zeitdauer des Stromflusses ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Gasentladungs-Überspannungsableiter sind üblicherweise die Zylinderelektroden und die Hohlelektrode aus dem gleichen Material hergestellt. In diesem Fall vereinfacht sich die Vorschrift für die Bemessung der Hohlelektrode in Abhängigkeit vom Durchmesser D₁ der Zylinderelektroden zur Beziehung

Dl - (D₂ + Idf > Dl.

Wenn man dabei von Eisen als besonders geeignetem Elektrodenmaterial ausgeht und voraussetzt, daß die maximale Stromstärke der stärksten Blitze 10OkA und deren mittlere Dauer 10~* s nicht übersteigt, muß erfindungsgemäß der Durchmesser der Zvlinderclektrode mindestens 3 mm betragen.

Die metallischen Teile des vakuumdichten Gehäuses eines erfindungsgemäßen Gasentladungs-Überspannungsableiters sind besonders zweckmäßig im Übergangsbereich zum ringförmigen Isolierkörper wescntlieh dünnwandiger als in den übrigen Bereichen des Gehäuses. Auf diese Weise ist zwischen den Elektroden einerseits und dem Isolierkörper andererseits eine Wärmeleitungsbremse erzielt, die bewirkt, daß die im Betrieb des Gasentladungs-Überspannungsableiters

ίο auftretende Wärme der Elektroden sich nicht sofort auf den Isolierkörper überträgt. Damit ist mit absoluter Sicherheit gewährleistet, daß im Uberlastfall tatsächlich erst die Zylinderelektrode schmilzt, bevor der Gasentladungs-Überspannungsableiter möglicherweise durch einen Sprung des Isolierkörpers auf Grund thermischer Einwirkungen undicht werden könnte.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden.

In der Zeichnung ist im Längsschnitt ein Gasentladungs-Uberspannungsableiter dargestellt, der im wesentlichen aus einer Hohlelektrode 1, einer Zylinderelektrode 2 und einem Isolierkörper 3 besteht. Dabei bildet die Hohlelektrode 1 zusammen mit einer von der Zylinderelektrode 2 getragenen Endkappe 4 und dem ringförmigen Isolierkörper 3 ein vakuumdichtes Gehäuse, das mit Edelgas gefüllt ist. Die metallischen Teile dieses vakuumdichten Gehäuses sind in den Ubergangsbereichen 5, 6 zum ringformigen Isolierkörper 3 wesentlich dünnwandiger als in den übrigen Bereichen des Gehäuses. Diese Maßnahme hat den Zweck, den Isolierkörper 3 von einer im Uberlastfall möglicherweise von den Elektroden 1 und 2 ausgehenden überhitzung zu schützen.

Der dargestellte überspannungsableiter soli in erster Linie eine kleine Bauform haben. Dies bedeutet in der Praxis;, daß der Außendurchmesser Dn₀ der Hohlelektrode 1 höchstens 15 mm betragen darf. Darüber hinausgehende Durchmesser eines Uberspannungsableiters werden wegen dem hohen Anteil an Raumbedarf, den die Summe aller gasgefüllten überspannungsableiter in modernen Anlagen bezüglich des Gesamtraumes einnimmt, keinesfalls zugelassen. Eine entsprechende kleine Bauform wirft aber das Problem auf, daß hohe Stromstöße (Blitze) ein sofortiges Schmelzen oder gar Verdampfen der Elektroden herbeiführen könnten. Es hat sich gezeigt, daß ein unerwünschtes Schmelzen der Elektroden mit Sicherheit vermieden wird, wenn man folgende erfindungsgemäß angegebene Bemessung für den Außendurchmesser D₂ der Zylinderelektrode 2 einhält:

D, >

J² ■ t A_z

0,625 Ίη(1 +α ·ΊΤ.Γ

Dabei bedeutet

A =

Co

IT =

_ '« ίΐι

Zeit (S),

Strom, der die Elektrode durchfließt (A),
spezifischer Widerstand des Elektrodenmaterials bei Anfangstemperatur (Li · cm),
Temperatur-Koeffizient des elektrischen

WiderstandesdesElektrodenmaterialsi-^y

Temperaturzunahme von Anfangstemperatur (Umgebungstemperatur) bis zum
Schmelzpunkt der Elektrode (⁰C),

c = mittlere spezifische Wärme des Elektroden-

• , / Ws
materials (

γ = spezifisches Gewicht des Elektrodenmaterials

D_z = Durchmesser der Zylinderelektrode 2,
D_ka = Durchmesser der Hohlelektrode 1,
z, k = Indizes für die physikalischen Eigenschaften der Zylinderelektrode (z) bzw. der Hohlelektrode (k).

In einem praktischen Ausführungsbeispiel dient als Elektrodenmaterial Eisen. Setzt man die physikalischen Eigenschaften von Eisen in die angegebene Lösung für die Bemessung des Durchmessers D_z der Zylinderelektrode 2 ein und nimmt man weiterhin an, daß die stärksten bekannten Blitze auf keinen Fall 10OkA und eine Dauer von 100 μβ überschreiten, ergibt sich D_z als gleich oder größer 2,94 mm oder aufgerundet 3 mm. Als Anfangstemperatur war dabei 20° C angenommen.

Damit ein erfindungsgemäßer Gasentladungs-Uberspannungsableiter im überlastfall mit Sicherheit einen Kurzschluß vor seiner Zerstörung herbeiführt, ist es für die Erfindung wesentlich, daß die Hohlelektrode 1 einer höheren Erwärmung standhält als die Zylinderelektrode 2. Nur dann ist nämlich sichergestellt, daß vor einem Schmelzen der Zylinderelektrode 2 die Hohlelektrode 1 nicht durchschmilzt, also keine Löcher erhält. Dabei darf der Abstand d der Hohlelektrode 1 von der Zylinderelektrode 2 nicht größer als 1 mm sein, wenn eine ausreichend kurze Ansprechzeit des Uberspannungsableiters gewährleistet sein soll. Unter Beachtung dieser beiden erfindungsgemäßen Randbedingungen gilt folgende allgemeine Bemessungsvorschrift für die Beziehung der Abmessungen von Zylinderelektrode 2 einerseits und Hohlelektrode 1 andererseits:

(D + IdY > - (D₂ + ld) >

Diese Vorschrift für die Bemessung des Außenquerschnitts D_ka der Hohlelektrode 2 vereinfacht sich wesentlich, wenn, wie in der Praxis üblich, die Innen- und Außenelektrode aus dem gleichen Elektrodenmaterial (z = k) hergestellt sind. Man erhält dann die Beziehung

DL - Φ* + 2d)² > Dl,

wobei wieder d höchstens 1 mm vorausgesetzt sind.

Ein erfindungsgemäßer Gasentladungs-Uberspannungsableiter weist den wesentlichen Fortschritt auf, daß er trotz kleiner Abmessungen folgende Eigenschaften mit absoluter Sicherheit hat:

Der Gasentladungs-Uberspannungsableiter erträgt sowohl kurzzeitige Entladungen hoher Stromstärke (Blitze) als auch Jangzeitige Wechselstrombelastungen. Bei überlastung geht der Uberleiter in einen sicheren Kurzschluß über, und zwar vor einer Zerstörung seiner Vakuumhülle (eindeutige Kurzschlußbedingung). Der überspannungsableiter zündet bei Belastung mit einer Stoßwelle so schnell, daß die zu schützende Anlage in keinem Fall Schaden leidet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasentladungs-Uberspannungsableiter mit einem yakuumdichten Gehäuse, vorzugsweise mit Edelgasfüllung, in dem eine massive, eine End kappe tragende Zylinderelektrode einer sie koaxial umgebenden Hohlelektrode gegenübersteht, die in Form eines Hohlzylinders mit einer Endwand ausgebildet ist und mit einem ringförmigen Isolierkörper zusammen mit der Endkappe der Zylinderelektrode das vakuumdichte Gehäuse bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderelektrode' (2) aus einem ersten, elektrisch leitenden Material (z) einen Durchmesser Elektrodenmaterial Eisen ist, wobei der Durchmesser (D₁) der Zylinderelektrode mindestens 3 mm beträgt.

5. Gasentladungs-Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Teile dss vakuumdichten Gehäuses im Übergangsbereich zum ringförmigen Isolierkörper (3) wesentlich dünnwandiger sind als in den übrigen Bereichen des Gehäuses.