DE2750002A1

DE2750002A1 - Spannungsstosschutzvorrichtung

Info

Publication number: DE2750002A1
Application number: DE19772750002
Authority: DE
Inventors: Paul Zuk
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1976-11-08
Filing date: 1977-11-08
Publication date: 1978-05-18
Also published as: FR2370358B1; IL53295A; CA1085450A; SE421736B; GB1587647A; JPS5358647A; US4175277A; DE2750002C2; IT1092648B; FR2370358A1; ES463949A1; IL53295A0; BE860537A; SE7712268L; JPS6337471B2

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsstoßschutzvorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie kann beispielsweise verwendet werden zum Schutz von Fernsprechgeräten vor externen Spannungsstößen (beispielsweise Blitzschlägen und Induktion oder unfallbedingter Berührung zwischen Fernsprechleitungen und Starkstromleitungen).

In Übertragungsanlagen mit großen Freileitungsstrecken ist es üblich, Anschlußgeräte gegen Spannungsstöße (beispielsweise Blitzschläge) zu schützen, und zwar durch Einfügen einer Schutzvorrichtung zwischen der Leitung und Erde an jeder Endstelle. Solche Vorrichtungen sollten wiederholte Spannungsstöße ohne Ausfall aushalten. Wenn sie jedoch ausfallen, sollten sie in eine elektrische Kurzschlußbedingung übergehen, um die Anschlußausrüstung sicher zu schützen. Eine weitläufig verwendete Gruppe von Spannungsstoßschutzvorrichtungen umfaßt zwei Kohleblockelektroden mit parallelen Stirnflächen, die einen Luftspalt im Bereich von 50 Mikrometer festlegen. Dies ist zwar eine extrem billige Vorrichtung, die Arbeitskosten zum Ersetzen ausgefallener Schutzvorrich-

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tungen vor Ort sind jedoch hoch. Daher sind Anstrengungen gemacht worden, um die Betriebslebensdauer solcher Schutzvorrichtungen zu verlängern.

Eine solche Modifikation, die manchmal als "Gasröhren¹*- Schutzvorrichtung bekannt sind, enthält Metallelektroden, die hermetisch dicht in einer Edelgasatmosphäre eingeschlossen sind. Solche Vorrichtungen umfassen typischerweise eine Kohlebeschichtung der Elektroden, die unter anderem zu einer Erhöhung des Elektronenemissionsvermögens der Oberfläche führt, so daß die Bildung einer Plasmaentladung erleichtert wird. Bei einer Form einer solchen Vorrichtung werden ein relativ großer Spalt (beispielsweise 500 Mikrometer) zwischen parallelen Stirnflächen und ein reduzierter Gasdruck benutzt, um etwa die gleiche Durchbruchspannung wie bei der Luftspaltvorrichtung aufrechtzuerhalten (US-PS 3 454 811). Dieser breitere Spaltabstand erhöht die Betriebslebensdauer, da die Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen dem breiteren Spalt stark verringert ist. Wenn jedoch die hermetische Dichtung einer solchen Vorrichtung fehlerhaft wird, erhöht sich die Durchbruchspannung weit über die Sicherheitsgrenze. Dies 1st als "Offenausfall"-Zustand bekannt und stellt eine begrenzte Gefährdung der Anschlußausrüstung und des Benutzers dar. Bei einer anderen Gruppe solcher Vorrichtungen

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wird der Edelgasdruck etwa auf Atmosphärendruck gehalten. Dies erfordert jedoch für eine Durchbruchspannung innerhalb des gewünschten Sicherheitsbereichs die Verwendung eines schmalen Spaltes (beispielsweise 25 bis 75 Mikrometer). Diese Vorrichtung stellt eine Verbesserung gegenüber der einen schmalen Spalt aufweisenden Kohleblockvorrichtung dar, und zwar aufgrund der verwendeten Materialien und der Edelgasatmosphäre. Sie erfüllt auch das Ausfallsicherheitsmerkmal der Kohlenblockvorrichtung, da ein Dichtungsfehler die Durchbruchspannung nicht über den annehmbaren Wert erhöht. Daher ist die vorherrschende Ausfallart dieser Vorrichtung wieder ein Kurzschluß des Spaltes aufgrund einer Elektrodenbeschädigung.

In dieser Vorrichtung ist die Spaltbreite kritisch, da sie die Schutzdurchbruchspannung bestimmt. Die Herstellung einer solchen Vorrichtung erfordert typischerweise Bauteile mit engen Toleranzen, um die Spaltbreite innerhalb der erforderlichen engen Toleranz zu halten.

Die Lösung dieses Problems ist in den Ansprüchen 1 und 6 gekennzeichnet und in den Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet .

Die vorliegende Erfindung führt zu einer Metallelektroden-

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Spannungsstoßschutzvorrichtung mit eng definierter Spalt» breite, die aus Einzelstücken oder Bauteilen hergestellt ist, deren Herstellungstoleranzen eine oder mehrere Größenordnungen über der erforderlichen Spalttoleranz liegen können. Da die Aufrechterhaltung der Toleranzen beträchtlich zu den Herstellungskosten beiträgt, haben der erfindungsgemäße Aufbau und die erfindungsgemäße Herstellungsmethode einen beträchtlichen wirtschaftlichen Einfluß auf die Kosten solcher Vorrichtungen.

Die erfindungsgemäße Spannungsstoßschutzvorrichtung besteht grundsätzlich aus zwei Metallelektroden, die Je an einem Ende eines isolierenden Gehäuses festgelötet sind. Wenigstens eine der Elektroden besteht aus zwei teleskopisch verschiebbaren Teilen, die zur Kompensation der großzügigeren Toleranz der Einzelteile verwendet werden. Die Spannungsstoßschutzvorrichtung wird so zusammengebaut, daß sich die beiden Elektroden berühren. Die Anordnung wird in einen Lötofen gegeben, auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Lotlegierung flüssig ist, und dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Wenn die Lotlegierung fest wird, entsteht eine feste Verbindung zwischen den teleskopischen Teilen der Elektrode. Wenn die Temperatur weiter abgesenkt wird, öffnet sich der erforderliche Lichtbogenspalt aufgrund der unterschiedlichen Kontraktion von Metallelektroden und isolieren-

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dem Gehäuse (d. h., die Metallelektroden ziehen sich mehr zusammen als der Isolator). Bei Umgebungstemperatur weist die Vorrichtung eine Spaltbreite auf, die in erster Ordnung lediglich von den Gesamtabmessungen der Einzelteile und von den Koeffizienten der linearen Ausdehnung der verwendeten Materialien abhängt. Unter Verwendung dieser Methode ist es beispielsweise möglich, eine Vorrichtung mit einem Spalt von 75 i 10 Mikrometer herzustellen» und zwar unter Verwendung von Einzelteilen, deren Abmessungen eine Herstellungstoleranz von ±100 Mikrometern haben können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer beispielhaften Ausführungsform einer Spannungsstoßschutzvorrichtung mit einer teleskopartigen Elektrode;

Fig. 2 einen Längsschnitt einer beispielhaften AusfOhrungsform einer Spannungsstoßschutzvorrichtung mit zwei teleskopartigen Elektroden; und

Fig. 3 einen Längsschnitt einer beispielhaften teleskopartigen Elektrode.

Ein großer Teil der Ausrüstung für Nachrichtenübertragungs-

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anschlüsse (beispielsweise Fernsprechgeräte und Fernsprechvermittlungsvorrichtungen) ist gegen außergewöhnliche Spannungsstöße mit Hilfe von Schutzvorrichtungen geschützt, die als "Stoßschützer" oder "Blitzableiter" bekannt sind. Die wesentliche Funktion solcher Vorrichtungen wird durch zwei Elektroden gebildet, deren breite Stirnflächen einen vorbestimmten schmalen Spalt festlegen. Diese zwischen die ankommende Übertragungsleitung und Erde geschaltete Vorrichtung stellt bei normalen Betriebsspannungen, wie sie in der Nachrichtenübertragungsanlage vorhanden sind, eine offene Leitung dar. Während außergewöhnlicher Spannungsstöße, die möglicherweise durch Blitzschläge oder unfallbedingte Berührung mit einer Starkstromleitung verursacht werden, entsteht im Spalt eine Gasentladung, die für die schädliche Spannungsstoßenergie einen Kurzschlußweg nach Erde erzeugt. Ein Spaltabstand von 25 bis 75 Mikrometern führt in Luft bei Atmosphärendruck zu einer Durchbruchspannung im Bereich von 750 Volt. Im Normalbetrieb kehrt diese Vorrichtung nach dem Ableiten des Spannungsstoßes in ihren Offenleitungszustand zurück, und sie muß wiederholte Spannungsstöße ohne Ausfall aushalten können.

Bei dieser Art Stoßschutzvorrichtung ist die Breite des Schutzspaltes kritisch, da er die Größe der Durchbruchspan-

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nung bestimmt. Bei typischen bekannten Vorrichtungen müssen wenigstens einige der Einzelteile mit der gleichen engen Toleranz hergestellt werden, wie sie für den Spalt benötigt wird, um den erforderlichen eng definierten Spaltabstand zu erzeugen. Eine solche eng tolerierte Herstellung trägt beträchtlich zu den Kosten der endgültigen Vorrichtung bei. Bei der hier beschriebenen Vorrichtung braucht keines der Einzelteile mit ebenso enger Abmessungstoleranz, wie sie für den Spalt benötigt wird, hergestellt zu werden. Wie die beispielhafte Vorrichtung in Fig. 1 zeigt, enthält der erfindungsgemäße Stoßschützer zwei Elektroden 11, 12, die je an einem Ende eines isolierenden Gehäuses 13 befestigt sind. Die Elektrode 12 umfaßt zwei teleskopartige Einzelteile: ein Halteteil 14 mit einem Flansch und eine Elektrodenkappe 15. Die Höhe des Halteteils ist so bestimmt, daß genügend Spiel bleibt, um die Höhentoleranzen aller Bauteile plus die gewünschte Spaltbreite zu kompensieren. Bei diesem beispielhaften Aufbau ist das mit Flansch versehene Halteteil 14 mit Schultern 16 versehen, um die Elektrode 12 innerhalb des Gehäuses 13 auszurichten. Bei dieser beispielhaften Elektrode 12 ist das mit Flansch versehene Halteteil aus Blech hergestellt und als mit einem Flansch versehene Hülse beschreibbar.

Bei diesem Stoßschützer sind die Einzelteile durch Verwen-

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dung eines schmelzbaren Metalle 18 dort, wo die Einzelteile einander berühren, dicht miteinander verbunden. Das schmelzbare Metall kann durch irgendeine vieler bekannter Methoden aufgebracht werden, beispielsweise durch Auf legen von Metallringen an den zu verbindenden Stellen. Der Ausdruck Löten umfaßt jeglichen Vorgang der Befestigung mittels der Verwendung eines erstarrenden Flüssigmetalls (beispielsweise Hartlöten), insbesondere an der Innenverbindungsstelle zwischen dem Halteteil 14 und der Elektrodenkappe 15. Die äußeren Verbindungsstellen können beispielsweise geschweißt werden.

Zur endgültigen Herstellung werden die Einzelteile so zusammengesetzt, daß sich die Elektroden 11 und 12 dort berühren, wo schließlich der Spalt 19 gebildet werden soll. Für eine automatische Herstellung ist es wünschenswert, daß die teleskopartigen Bauteile der zweistückigen Elektrode 12 eine lose Gleitpassung aufweisen (beispielsweise ein Spiel von etwa 50 Mikrometern) und daß die Anordnung vertikal, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, mit der zweistückigen Elektrode zu Oberst, in den Lötofen gestellt wird. Auf diese Weise hält die Schwerkraft die Berührung an der Spaltstelle 19 aufrecht. Wenn eine vollständig dichte Vorrichtung erzeugt werden soll, wie es beispielhaft durch Fig. 1 dargestellt ist, werden die Zusammensetzung und der Druck der

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Atmosphäre des Lötofens zu gesteuert, daß die gewünschte Atmosphäre in der abgedichteten Vorrichtung entsteht. Die Temperatur des Ofens wird auf die Löttemperatur erhöht, bei welcher das schmelzbare Metall flüssig ist, und dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Wenn das Metall während des Kühlens erstarrt, entsteht eine feste Verbindung zwischen der Elektrodenkappe 15 und dem Halteteil 14. Ein nachfolgendes Schrumpfen der Metallteile gegenüber dem isolierenden Gehäuse 13 führt zur öffnung des Schutzspaltes 19. Dies deshalb, weil die Koeffizienten der linearen Ausdehnung der Metalle typischerweise größer als die Koeffizienten der linearen Ausdehnung isolierender Materialien sind. Wenn in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung die untere Elektrode 11 und die Elektrodenkappe 15 aus dem selben Material und das Halteteil 14 aus einem anderen Material hergestellt sind, ist die Spaltbreite durch folgenden Ausdruck gegeben:

G = (O₂C₂ + I₃C₃ - I₁C₁) (T₂ - T₁) (1)

In diesem Ausdruck bedeuten: G die Spaltbreite; I₁, I₂ und 1* in Fig. 1 gezeigte Längenabmessungen; C₁ den Koeffizienten der linearen Ausdehnung des isolierenden Keramikgehäuse β 13; C₂ den Koeffizienten der linearen Ausdehnung der Elemente 11 und 15; und C₃ den Koeffizienten der linearen Ausdehnung des Halteteils 14. T₂ ist die Liquidustempe-

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ratur der Lotlegierung und T₁ ist die Umgebungstemperatur. Gleichung (1) setzt voraus, daß die Ausdehnungskoeffizienten bezüglich der Temperatur konstant sind. Dies ist für die meisten reinen Metalle eine vernünftige Annäherung. Für andere Materialien kann man das Produkt ^(TV, ~ T-|) ^aus veröffentlichten Diagrammen und Tabellen entnehmen. Dieses Produkt repräsentiert den Längenänderungsbruchteil zwischen zwei Temperaturen.

Fig. 2 zeigt einen Stoßschützer, bei dem sowohl die untere Elektrode 21 als auch die obere Elektrode 22 zwei teleskopartige Einzelteile aufweist (eine mit Flansch versehene Hülse 24 und eine Elektrodenkappe 25). Dies kann man für die Bequemlichkeit tun, weniger unterschiedliche Grundeinzelteile herstellen zu müssen. Die metallischen Endansatzteile 26, 27 sind so konzipiert, daß sie an die Teile der Vorrichtung angepaßt sind, in welche der Stoßschützer eingebaut werden soll. Vie in Fig. 1 sind die Elektroden 21, 22 durch ein isolierendes Gehäuse 23 getrennt.

Fig. 3 zeigt eine Elektrodenanordnung 31» bei der ein mit Flansch versehenes Halteteil 34 aus massivem Material hergestellt ist und in einem Hohlraum in der Elektrodenkappe 35 sitzt. Venn die Elektrodenkappe und das Halteteil aus

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unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, ist es wünschenswert, daß das Material mit dem höheren Koeffizienten der linearen Ausdehnung im Teil mit dem niedrigeren Koeffizienten der linearen Ausdehnung sitzt. Wenn diese Situation gegeben ist, wird, wenn die Temperatur des Lötofens erhöht wird, der Sitz zwischen den beiden Elementen fester. Dies führt dazu, die Elemente zueinander auszurichten, und erzeugt einen besseren Lötkontakt. Wenn beispielsweise die Elektrodenkappe aus Kupfer und das Halteteil aus Kovar hergestellt ist, dann sollte, wie in Fig. 1, die Elektrodenkappe 15 vorzugsweise im Inneren des Halteteils 14 teleskopisch verschiebbar sein. Wenn das Halteteil aus Kupfer und die Elektrodenkappe aus Molybdän hergestellt sind, dann wäre es gemäß Fig. 3 wünschenswert, das Halteteil 14 so zu konstruieren, daß es in der Elektrodenkappe 35 sitzt.

Der Isolator 13» 23 kann aus einer Keramik (beispielsweise hochdichtem Aluminiumoxid), einem Glas (beispiels_weise Quarzglas), einem kristallinen Material (beispielsweise Saphir) oder einem anderen Material hergestellt sein, das als schützende Hülle geeignet ist. Es muß auch der hohen Temperatur standhalten können, die üblicherweise benötigt wird, um eine unterschiedliche thermische Kontraktion zu erzeugen, die für die gewünschte Spaltbreite ausreicht. Aus dem selben Grund ist die Verwendung eines schmelzbaren Me-

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tails mit einer Erstarrungstemperatur von 600 ° oder mehr zu bevorzugen.

Beim Konzipieren eines StoßschUtzers der hier beschriebenen Art muß der Konstrukteur die Spaltbreite sowie die Zusammensetzung und den Druck des Gases innerhalb der Vorrichtung so wählen, daß die gewünschte Schutzdurchbruchspannung erzeugt wird. Die Beziehung zwischen diesen Parametern ist bekannt. Wenn die Vorrichtung, wie bei den beispielhaft erläuterten Vorrichtungen, in einem vollständig abgedichteten Zustand hergestellt werden soll, muß das Hartlöten in einem Ofen mit gesteuerter Atmosphäre geschehen. Bei der Auewahl des atmosphärischen Drucks des Ofens muß natürlich die lineare Änderung des Gasdrucks mit der Temperatur beachtet werden.

Beispiel

Bei einer beispielsweisen Vorrichtung der Fig. 2 wurde das Halteteil, eine mit Flansch versehene Hülse, aus Kovar (einer Legierung aus λ/28 % Nickel, 17 % Kobalt, Rest Eisen) hergestellt, dessen Längenänderungsbruchteil zwischen 800 ⁰C und Raumtemperatur bei etwa 0,83 % liegt. Die Gesamtlänge der Kovarteile I₃ = I₃ ¹ + I₃" war 2,9 ±0,1 on. Die Elektro-

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denkappen 25 waren aus Kupfer mit einem Längenänderungsbruchteil von etwa 1,65 % über dem genannten Temperaturbereich hergestellt, und die Gesamtlänge I₂ war 4,2 ± 0,1 mm. Eine Hartlotlegierung aus Kupfer-Silber-Eutektikum (BT-Hartlot), das bei etwa 000 ⁰C schmilzt, wurde in Form von Hartlotringen auf entsprechende Bereiche der Bauteile aufgebracht. Die teleskopischen Teile waren so konstruiert, daß sie einen losen Gleitsitz aufwiesen. Das Gehäuse 23 bestand aus hochdichter Aluminiumoxidkeranik mit einem Längenänderungsbruchteil von etwa 0,6 % und einer Länge C^ von 7,6 ± 0,15 mm. Diese Teile wurden vertikal zusammengesetzt und in einen Hartlotofen gesetzt, der eine gesteuerte Argonatmosphäre mit einem Druck aufwies, der zur Erzeugung eines Druckes von einer Atmosphäre "nach Abkühlung" reichte . Nach dem Hartlöten und der Verringerung der Temperatur auf Umgebungstemperatur (etwa 20 ⁰C) war die Spaltbreite 0,06 ± 0,01 nun.

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Claims

BLUMBACH · WESER · BERGEN · KRAMER PATENTANWÄLTE IN MÖNCHEN UND WIESBADEN Patentconsult Radedtestraee 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsul! Sonnenberger Stra8e 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult Western Electric Company, Incorporated Zuk 11 New York, N.Y., USA Spannungsstoßschutzvorrichtung Patentansprüche

1. !Spannungsstoßschutzvorrichtung mit einem rohrförmigen isolierenden Gehäuse und zwei Elektroden, die innerhalb des Gehäuses in einem einen Funkenspalt definierenden Abstand voneinander befestigt sind und die Je mit einem Flansch versehen sind, der das je zugeordnete der beiden gegenüberliegenden Gehäuseenden berührt und an diesem befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (11, 12; 21, 22) einen mit einem Flansch versehenen Halteteil (14; 24) und eine Elektrodenkappe (15; aufweist, die in einer festen Lagebeziehung zueinander

München: R. Kremer Dipl.-Ing. . W. Weser Oipl.-Wiys. Dr. im. ML - P. Hirsch Dipl.-Ing. · K P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phiI. nat. Wiesbaden: P. 6. Blumbach DlpWng. . P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur.. G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-mg.

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mittels einer schmelzbaren Metallegierung bei einer zu deren Schmelzen ausreichenden Hartlöttemperatur aneinander festgelötet sind und die vor dem Zusammenlöten in
gleitverschiebbarem Eingriff miteinander stehen und somit eine Positionierung der sich gegenüberliegenden und den
Funkenspalt (19) bestimmenden Stirnflächen der Elektroden vor dem Befestigen erlauben, so daß die Funkenspaltbreite durch unterschiedliche Kontraktion von Elektroden und Gehäuse während der Abkühlung von der Hartlöttemperatur auf Umgebungstemperatur bestimmt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem mit einem Flansch versehenen Halteteil (14; 24) um eine Hülse handelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die schmelzbare Metallegierung bei Temperaturen unterhalb 600 ⁰C fest ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch
gekennzeichnet , daß die schmelzbare Metalllegierung hauptsächlich Kupfer und Silber enthält.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

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gekennzeichnet , daß beide Elektroden (21, 22) einen mit einem Flansch versehenen Halteteil (24) und eine Elektrodenkappe (25) aufweisen.

6. Verfahren zur Herstellung einer Spannungsstoßschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Gehäuse und die Elektroden derart zusammengefügt werden, daß sich die den Funkenspalt definierenden Stirnflächen der Elektroden berühren;

b) die Temperatur der Anordnung über die Hartlöttemperatur erhöht wird; und

c) die Anordnung auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

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