DE2012453C3 - Gasentladungsüberspannungsableiter, vorzugsweise mit Edelgasfüllung - Google Patents

Description

1/4

Elektrodenmaterial Eisen ist, wobei der Durchmesser (D₂) der Zylinderelektrode mindestens 3 mm beträgt.

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

In(I + a₂

aufweist und daß die koaxiale Hohlelektrode (1) aus einem zweiten, elektrisch leitenden Material (k) einen Innendurchmesser (D _u) hat, der höchstens um Id gleich 2 mm größer als der Durchmesser (D₂) der Zylinderelektrode (2) ist, während ihr Außendurchmesser (D^), der höchstens 15 mm beträgt, über den Durchmesser (D₂) der Zylinderelektrode durch die Beziehung

mit d als Abstand zwischen Zylinderelektrode (2) und Hohlelektrode (1) festgelegt ist, wobei der

Faktor A ein Quotient 1-iiSa.l aus zwei Produkten

\ ^ct /

ist, die einerseits von dem Temperaturkoeffizienten α (1/°C) des elektrischen Widerstandes und dem spezifischen elektrischen Widerstand ρ₀ (ίϊ · cm) des jeweiligen Elektrodenmaterials und andererseits von der mittleren spezifischen Wärme c (—sfi) und dem spezifischen Gewicht γ (-jb·) des jeweiligen Elektrodenmaterials gebildet sind, wobei weiterhin AT die jeweilige Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur und der Schmelztemperatur der Elektroden angibt und schließlich J (A) die maximal auftretende Stromstärke mit f (s) als mittlere Zeitdauer des Stromflusses ist.

2. Gasentladungs-Uberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderelektrode und die Hohlelektrode aus dem gleichen Material hergestellt sind, wobei der Außendurchmesser (D₁₁₁₁) der Hohlelektrode über den Durchmesser (D₂) der Zylinderelektrode (2) mit der Beziehung

i - (D₂ + Idf > D)

(3)

festgelegt ist.

3. Gasentladungs-Uberspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor t · J² durch die maximale Stromstärke der stärksten bekannten Blitze mit / = 10OkA und einer mittleren Dauer von ί = 10~⁴ s zu ti² = 10⁶ As festgelegt ist.

4. Gasentladungs-Überspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasentladungs-überspannungsableiter mit einem vakuumdichten Gehäuse, vorzugsweise mit Edelgasfüllung, in dem eine massive, eine Endkappe tragende Zylinder- elektrode 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 bekannt (man vergleiche beispielsweise die deutsche Patentschrift 7 14 139, wobei jedoch entgegen den heute gebräuchlichen Ausfuhrungsformen 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 μβ Dauer und Stromstärken bis 10OkA 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 Ableiter 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 »failsafe«-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 Uberlastfall die Elektroden des Überspannungsabieiters zusammenschmelzen, bevor der Ableiter undicht werden würde. Ein im Uberlastfall mit Sicherheit herbeigeführter 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 12 86191) oder ein Schaltmittel, das z. B. aus einem leicht schmelzbaren oder leicht zerstäubenden Metall oder auch aus einem bei Erwärmung Metall abscheiderden Stoff 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 schaffet, 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

V1/4

0,625 In(I-Ha₂

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

(D + IdY> D²

- (D₂ + ld) > D₂

^. _{)n (1}

„_k. ,, _Tk))

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

Quotient

C- γ

aus zwei Produkten ist, die einerseits

von dem Temperaturkoeffizienten ri(l/°C) des elektrischen Widerstandes und dem spezifischen elektrischen Widerstand ρ (ü ■ cm) des jeweiligen Elektrodenmaterials und andererseits von der mittleren spezi-

fischen Wärme c (—57Ο und dem spezifischen Gewicht γ (-^t) 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 t (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 ^m Durchmesser D₁ der Zylinderelektroden zur Beziehung

Wenn man dabei von Eisen als besonders geeignetem Elektrodenmaterial ausgeht und voraussetzt, daß die maximale Stromstärke der stärksten Blitze 10OkA und deren mittlere Dauer 10~⁴ s nicht übersteigt, muß erfindungsgemäß der Durchmesser der Zvlinderelektrode mindestens 3 mm betragen.

Die metallischen Teile des vakuumdichten Gehäuses eines erfindungsgemäßen Gasentladungs-Uberspar·- nungsableiters sind besonders zweckmäßig im Ubergangsbereich zum ringförmigen Isolierkörper wesent-Hch 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 Oberlastfall tatsächlich erst die Zylinderelektrode schmilzt, bevor der Gasentladungs-Uberspannungsableiter 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.

ίο In der Zeichnung ist im Längsschnitt ein Gasentladuhgs-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

2$ 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 ringförmigen Isolierkörper 3 wesentlich dünnwandiger als in den übrigen Bereichen des Gehäuses. Diese Maßnahme hat den Zweck, den Isolierkörper 3 von einer im überlastfall möglicherweise von den Elektroden 1 und 2 ausgehenden überhitzung zu schützen.

Der dargestellte überspannungsableiter soll in erster Linie eine kleine Bauform haben. Dies bedeutet in der Praxis, daß der Außendurchmesser D_ka der Hohlelektrode 1 höchstens 15 mm betragen darf. Darüber hinausgehende Durchmesser eines Uber-

40. spannungsableiters werden wegen dem hohen Anteil an Raumbedarf, den die Summe aller gasgefüllten überspannungsableiter in modernen Anlagen bezüg-

. lieh 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 1 'it Sicherheit vermieden wird, wenn man folgende erfindungsgemäß angegebene Bemessung für den Außendurchmesser D₂ der Zylinderelektrode 2 einhält:

0,625 In(H-O₂-ZiT₁)

Dabei bedeutet

A =

Cy

t = Zeit (s),

J = Strom, der die Elektrode durchfließt (A),
ρ₀ = spezifischer Widerstand des Elektrodenmaterials bei Anfangstemperatur (Ω · cm),
u = Temperatur-Koeffizient des elektrischen

Widerstandes des Elektrodenmaterial sq

IT= Temperaturzunahme von Anfangstemperatur (Umgebungstemperatur) bis zum
Schmelzpunkt der Elektrode (° C),

c = mittlere spezifische Wärme des Elektrodenmaterials (r^g),

γ = spezifisches Gewicht des Elektrodenmaterials (-^j

sprechzeit 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:

D₁ — Durchmesser der Zylinderelektrode 2,
D_ka = Durchmesser der Hohlelektrode 1,
z, k = Indizes für die physikalischen Eigenschaften der Zylinderelektrode (z) bzw. der Hohl-¹ elektrode (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 D₁ der Zylinderelektrode 2 ein und nimmt man weiterhin an, daß die stärksten bekannten Blitze auf keinen Fall 100 kA und eine Dauer von 100 μβ überschreiten, ergibt sich D₁ als gleich oder größer 2,94 mm oder aufgerundet 3 mm. Als Anfangstemperatur war dabei 20° C angenommen.

Damit ein erfindungsgemäßer Gasentladungs-Überspannungsableiter 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 An-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 (ζ = ic) hergestellt sind. Man erhält dann die Beziehung

D\„-(D_z + 2d)²>D² _z,

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 langzeitige 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 (1)

Patentansprüche:

1. Gasentladungs-ÜberspannungsaWeiter 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderelektrode' (2) aus sinem ersten, elektrisch leitenden Material (z) einen Durchmesser