Uberspannungsableiter mit niedriger Ansprechspannung und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Uberspannungsableiter mit niedriger Ansprechspannung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung .

Aus der Druckschrift DE 10 2007 063 316 AI ist ein

Uberspannungsableiter bekannt.

Im Inneren des Uberspannungsableiter kommt es bei

Überschreiten einer bestimmten Grenzspannung, der

Zündspannung, zu einem Lichtbogenüberschlag zwischen zwei bzw. drei Elektroden. Die Grenzspannung wird bei statischer oder stationärer Beanspruchung mit einem Anstieg der Spannung von 100 V/s als Ansprechgleichspannung Uag und bei

dynamischer Belastung mit einem Anstieg der Spannung von 1 kV/με als Ansprechstoßspannung uas bezeichnet. Der Lichtbogen wird durch den speisenden Strom aufrecht erhalten, solange die elektrischen Bedingungen für den Lichtbogen gegeben sind.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen

Uberspannungsableiter anzugeben, der eine niedrige

Ansprechspannung aufweist, sowie ein Herstellverfahren dafür.

Diese Aufgabe wird durch einen Uberspannungsableiter gemäß Anspruch 1 gelöst.

Des weiteren wird die Aufgabe gemäß eines Verfahrens nach Anspruch 12 gelöst. Der Überspannungsabieiter weist einen Hohlraum auf, der durch wenigstens einen Isolierkörper gebildet ist. In den Hohlraum erstrecken sich von den Seiten zwei Elektroden, die mit ihren freien Enden zueinander orientiert sind und voneinander einen Abstand, den Elektrodenabstand, haben. Insbesondere haben die Elektroden dieselbe Längsachse. In Bereichen der freien Enden enthalten die Elektroden mehrere unterschiedliche metallische Materialien. In einer Ausführung ist jeweils ein metallisches Material in ein anderes metallisches Material eingebettet. Bevorzugt erfolgt die Einbettung in einen oder mehrere

Elektrodenhohlräume. Insbesondere sind zwei oder drei

metallische Materialien in den freien Endbereichen derart angeordnet, dass sie jeweils eine Oberfläche haben, die zur jeweils anderen Elektrode hin offen ist.

Der Isolierkörper besteht aus einem Stück oder, insbesondere dann, wenn eine Mittelelektrode im Bereich des

Elektrodenabstands vorgesehen ist, aus zwei Stücken.

Besonders vorteilhaft ist der wenigstens eine Isolierkörper aus Keramik geformt. Vorzugsweise ist der wenigstens eine Isolierkörper rohrförmig und insbesondere zylindrisch

geformt. Die Elektroden sind vorzugsweise stabförmig

ausgebildet . Die Elektroden des Überspannungsabieiters sind an ihren jeweils nicht freien Enden mit jeweils einem Ende des

wenigstens einen Isolierkörpers zu dem Überspannungsabieiter verbunden. Dazu weisen die nicht freien Enden der Elektroden einen Flansch auf, der mit dem wenigstens einen Isolierkörper vorzugsweise gasdicht verbunden ist. Als Gas in dem

Überspannungsabieiter kommt bevorzugt Neon mit einer

Beimischung von Argon zum Einsatz. An den vom Isolierkörper abgewandten Seiten weist jeder Flansch einen Anschluss, insbesondere mit Schraubgewinde, auf, mit dem der Uberspannungsableiter bzw. dessen Elektroden elektrisch kontaktiert werden können. Der Uberspannungsableiter ist für folgende Eigenschaften bzw. Aufgaben eingerichtet. Die Ansprechgleichspannung liegt zwischen 55 Volt und 70 Volt, und die Ansprechstoßspannung ist geringer als 700 Volt. Die Impulsbelastbarkeit bei einer Strombelastung beträgt 100 kA (Kiloampere) bei einer

Normstoßwellenform 8μ3/20μ3, d.h. bei einer Anstiegszeit von 8 is und einer Rückenhalbwertszeit von 20 με . Bei einer

Stoßwellenform 10μ3/350μ3, d.h. einer Anstiegszeit von 10 με und einer Rückenhalbwertszeit von 350 με, beträgt die

Impulsbelastbarkeit 50 kA. Weiterhin ermöglicht der

Uberspannungsableiter ein sicheres Ansprechen im Fehlerfall (failsafe) entsprechend einer Stromstärke-Zeit- Charakteristik. Durch den failsafe innerhalb des

Überspannungsabieiters ist dieser für den Einsatz in einer explosionsgefährdeten Umgebung geeignet, da außerhalb des Überspannungsabieiters auch bei einem Überschlag zwischen den inneren Elektroden keine Funkenbildung auftritt.

Der Uberspannungsableiter ermöglicht erstmalig die Erfüllung der vorgenannten extremen Aufgaben. Dadurch ist es möglich, den Uberspannungsableiter als ein einzelnes Bauelement in Bereichen einzusetzen, in denen bisher aufwändigere

Schutzmaßnahmen getroffen werden mussten oder in denen ein derartiger Schutz nicht möglich war. Bei dem Uberspannungsableiter enthält jede der Elektroden ein erstes metallisches Material und ein zweites metallisches Material in einem sich von dem freien Ende in die Elektrode erstreckenden Elektrodenhohlraum des ersten metallischen Materials. Dadurch wird es möglich, die beiden metallischen Materialien auf die vorgegeben Ansprechspannungen und die Stromimpulsbelastung hin auszuwählen und einzurichten.

Im Hinblick auf die failsafe-Eigenschaften des

Überspannungsabieiters weisen die beiden metallischen

Materialien bevorzugt unterschiedliche Schmelzpunkte auf. Dies gewährleistet je nach Lage de Fußpunktes einer

elektrischen Entladung, dass die Strom-Zeit-Charakteristik des inneren failsafe zwischen den Elektroden eingehalten wird. Das zweite metallische Material schmilzt bei geringerer Dauerbelastung eher als das weiter außen angeordnete erste metallische Material. Bei höheren Strömen wandert der

Fußpunkt der Dauerentladung hin zu dem ersten metallischen Material und schmilzt dieses auf.

Die Materialien mit unterschiedlichen Schmelzpunkten

ermöglichen bei unterschiedlichen Stromstärken und

ausreichend hohen Temperaturen einen inneren Kurzschluss durch ein Schmelzen und nachfolgendes Verschweißen der

Elektroden. Bevorzugt überbrücken die aufgeschmolzenen

Materialien beider Elektroden den in der Ausgangsposition gegebenen Elektrodenabstand des Überspannungsabieiters und verschweißen zu einem metallischen Kurzschluss beider

Elektroden .

In vorteilhafter Weise haben die Elektroden dieselbe

Längsachse und die Schmelzpunkte der unterschiedlichen metallischen Materialien nehmen von der Längsachse in

radialer Richtung zu.

Der Überspannungsabieiter ist bevorzugt derart eingerichtet, dass im Fall seines Ansprechens eine Entladung an zwei gegenüberliegenden Bereichen des zweiten metallischen

Materials der Elektroden startet. Bei Fortschreiten der

Entladung umfasst diese auch das erste metallische Material, das bevorzugt im Hinblick auf eine höhere Stromtragfähigkeit ausgelegt ist als das erste metallische Material.

Vorteilhaft ist der Elektrodenhohlraum einer Elektrode des Überspannungsabieiters so geformt, dass das zweite

metallische Material niederohmig und mechanisch fest mit dem ersten metallischen Material verbunden ist. Dies ermöglicht es, die elektrischen Eigenschaften der Elektroden und die Parameter des Überspannungsabieiters zu optimieren.

Besondere vorteilhaft ist es, wenn der Elektrodenhohlraum des Überspannungsabieiter eine Hinterschneidung aufweist, in die das zweite metallische Material eingreift. Dies ermöglicht eine sehr feste mechanische bzw. eine kraftschlüssige

Verbindung der beiden metallischen Materialien, die auch hohen Stromkräften standhält, und einen niedrigen Widerstand an dem Übergang der beiden metallischen Materialien.

Ein besonders niedriger Widerstand der Elektroden des

Überspannungsabieiters ergibt sich, wenn das zweite

metallische Material auf Basis einer Kupferpaste bzw.

insbesondere auf Basis einer sinterfähigen Kupferpaste hergestellt ist. Dies ermöglicht eine kostengünstige und sichere Herstellung der Elektroden des

Überspannungsabieiters. Besonders bevorzugt ist die

Kupferpaste flussmittelfrei .

In vorteilhafter Weise ist das zweite metallische Material in dem Elektrodenhohlraum gesintert. Dies ermöglicht eine sehr gute elektrische und mechanische Verbindung der beiden metallischen Materialien.

In einer besonders bevorzugten Ausführung weist das erste metallische Material der Elektroden eine Eisen-Nickel- Legierung auf. Diese zeichnet sich durch eine große

Stromtragfähigkeit aus.

Besonders vorteilhafte Bedingungen für eine Zündung des Überspannungsabieiters werden erreicht, indem das freie Ende einer bzw. jeder Elektrode eine Aktivierungsmasse enthält. Dadurch werden vorteilhaft günstige Startbedingungen für das Ansprechen bzw. Zünden des Überspannungsabieiters möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Oberflächen des freien Endes einer bzw. jeder der Elektroden eine Waffelung

aufweisen, in der die Aktivierungsmasse angeordnet ist. Bei eine großflächigen Auftrag der Aktivierungsmasse auf das insbesondere Kupfer enthaltende zweite metallische Material startet eine Entladung regelmäßig besonders vorteilhaft und sicher im Bereich der Aktivierungsmasse und damit im Kupfer enthaltenden Teil der Elektroden.

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines

Überspannungsabieiters werden wenigstens zwei Elektroden bereit gestellt und mit den Enden wenigstens eines

Isolierkörpers gasdicht verbunden, wobei die folgenden

Schritte durchgeführt werden. Es wird ein

Elektrodenhohlraum in dem freien Ende jeder Elektrode

hergestellt, insbesondere durch Ausdrehen bzw.

Hinterschneiden des ersten metallischen Materials der

Elektrode oder durch Aufschweißen bzw. Löten eines Rings auf einen Elektrodengrundkörper . Dann wird eine metallische Paste in den so gebildeten Elektrodenhohlraum eingefüllt und die Oberfläche der metallischen Paste strukturiert. Dann wird in die Strukturen der Oberfläche der metallischen Paste eine Aktivierungsmasse eingebracht. Nach mindestens einem der Schritte, beginnend mit dem Einfüllen der metallischen Paste, wird die Elektrode gesintert. Anschließend wird die

gesinterte Oberfläche der Elektrode geschliffen. Nach dem Herstellen zweier derartiger Elektroden, die zudem einen Flansch und einen äußeren Anschluss aufweisen, werden diese in den Hohlraum eingebracht und mit ihrem Flansch mit dem wenigstens einen Isolierkörper gasdicht so verbunden, dass der Elektrodenabstand im Hohlraum sehr gering, insbesondere geringer als 1 mm bzw. bevorzugt 0,5 mm ist.

Bevorzugt wird in einen Elektrodenhohlraum einer Elektrode aus einer Eisen-Nickel-Legierung eine Kupferpaste eingebracht und gesintert. Nach dem Sinterprozess wird mittels eines Werkzeugs eine Waferstruktur, insbesondere eine Waffelung, in die gesinterte Kupferpaste gepresst. Nach dem Schleifen der Oberfläche der gesinterten Kupferpaste und einer erneuten Sinterung wird die Elektrodenaktivierungsmasse mit einer Tropfenbepastung in die Waffelstruktur eingebracht. Danach erfolgt ein abschließender Sinterprozess.

Besonders vorteilhaft ist der Überspannungsabieiter

zylindrisch mit einem Außendurchmesser von etwa 25 mm und einer Gesamtlänge von 40 mm bzw. etwa 23 ohne Außenanschlüsse ausgebildet .

In einer vorteilhaften Aus führungs form ist jede Elektrode zusammengesetzt ausgeführt. Die Aus führungs form ermöglicht es, durch Verwendung unterschiedlicher Metalle bzw.

Legierungen optimierte Ableiterbedingungen für den Innenraum zu schaffen und gleichzeitig sehr gute Löt- oder Schweißeigenschaften für die externen Anschlüsse der

Elektroden zu bieten.

Es erweist sich als vorteilhaft, für das erste metallische Material und den Flansch jeder Elektroden eine Eisen-Nickel- Legierung vorzusehen, insbesondere Fe5s i ₂ . Dadurch lassen sich optimale Eigenschaften im inneren Hohlraum und bei der Verschlusslötung des Überspannungsabieiters erreichen.

Zur Unterstützung des Aufbaus einer Entladung beim Ansprechen des Überspannungsabieiters erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Hohlraum bzw. Innenraum an der Innenwand des

Isolierkörpers mehrere Zündstriche enthält. Die Zündstriche erstrecken sich bis in den Entladungshinterraum beidseits des Elektrodenabstands .

Der Überspannungsabieiter wird im Folgenden anhand von

Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .

Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.

Gleiche Elemente oder Elemente mit gleichen Funktionen sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Figur 1 zeigt eine Skizze eines Überspannungsabieiters im

Teilquerschnitt ,

Figur 2 zeigt eine Elektrode eines Überspannungsabieiters mit Flansch und Außenanschluss und Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Strom-Zeit- Charakteristik eines Überspannungsabieiters.

In der Figur 1 ist eine erste Aus führungs form eines

Überspannungsabieiters 1 im ( Teil- ) Querschnitt dargestellt. Der Überspannungsabieiter hat zwei aus jeweils mehreren

Teilen 2a, 2b, 2c und 3a, 3b, 3c zusammengesetzte bzw.

verlötete oder verschweißte Elektroden. Der Flansch 2b, 3b jeder Elektrode schließt mittels einer Verschlusslötung 4 einen rohrförmigen Isolierkörper 5 mit einem Hohlraum 6 beidseitig ab. Der so gebildete Innenraum des

Überspannungsabieiters ist gasdicht verschlossen und enthält ein Gas aus ganz überwiegend Neon mit einer geringen

Beimischung von Argon. Der Isolierkörper 5 ist aus

keramischem Material. Der Außenanschluss 2c, 3c jeder

Elektrode ist als Gewindebolzen bzw. Schraubkörper

ausgebildet .

Jede Elektrode 2, 3 weist eine Eisen-Nickel-Legierung auf. Jede innere Elektrode 2a, 3a ist stabförmig aus der Eisen- Nickel-Legierung als erstem metallischen Material hergestellt und enthält einen Elektrodenhohlraum 7 mit einer

Hinterschneidung 7a. In dem Elektrodenhohlraum 7 ist als zweites metallisches Material eine gesinterte Kupferpaste 10 angeordnet, die mit Hilfe der Hinterschneidung 7a und eines zentralen Sacklochs 8 sowohl eine innige bzw. kraftschlüssige mechanische als auch eine gute elektrische Verbindung mit dem ersten metallischen Material eingeht. Die Hinterschneidung ist vorgesehen, damit die Kupferpaste bei einem Ansprechen des Überspannungsabieiters und den damit verbundenen hohen Strömen und Kräften in der Elektrode bleibt nicht

herausgezogen wird. Das Sackloch 8 unterstützt dies durch die vergrößerte Fläche zwischen dem ersten und dem zweiten metallischen Material.

Der Abstand der Stirnseiten der Elektroden, d. h. der

Elektrodenabstand A an ihren freien Enden, beträgt 0,5 mm. Der Isolierkörper 5 weist an seiner Innenwand mehrere über seinen Umfang verteilte und in Längsrichtung angeordnete Zündstriche 9 auf. Die Zündstriche sind mit keiner der

Elektroden elektrisch verbunden.

Gemäß Figur 2 weist die Elektrode 2 bzw. 3 den gemäß Figur 1 beschriebenen Aufbau auf. In dem Elektrodenhohlraum ist eine gesinterte Kupferpaste 10 angeordnet. Nach Einbringen einer flussmittelfreien Kupferpaste in den Elektrodenhohlraum wird die Kupferpaste mehrmals gesintert und an ihrer Oberfläche geschliffen. Die Kupferpaste 10 an dem freien Ende der

Elektrode bildet eine Matrix für eine Aktivierungsmasse 11, die vorzugsweise großflächig in eine Waffelstruktur der

Oberfläche eingebettet ist. Die Waffelung wird mittels eines Werkzeugs nach dem ersten Sintern der Kupferpaste

aufgebracht .

In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist die

gesinterte Kupferpaste mit der Aktivierungsmasse bepastet. Die Aktivierungsmasse enthält Silikate und Halogenide.

Enthaltene Materialien sind insbesondere Nickel, Titan, Bariumaluminat , Bariumtitanat , Natrium-, Kalium- und

Cäsiumsilikat sowie Cäsiumwolframat .

Der Überspannungsabieiter gemäß den Figuren weist folgende Leistungsmerkmale auf: Ansprechgleichspannung Uag zwischen 55 Volt und 70 Volt, Ansprechstoßspannung uas kleiner 700 Volt, Impulsbelastbarkeit 100 kA bei einem Normstromimpuls der Wellenform 8/20 \is und 50 kA bei einem Normstromimpuls der Wellenform 10/350 με .

Durch Aufschmelzen der Kupferpaste bzw. der Eisen-Nickel- Legierung entsprechend einer Strom-Zeit-Charakteristik gemäß Figur 3 ergibt sich eine failsafe Eigenschaft innerhalb des Uberspannungsableiters. Der innere failsafe-Eigenschaft erlaubt den Einsatz des Uberspannungsableiters in einer explosionsgefährdeten Umgebung, weil im Fehlerfall außerhalb des Uberspannungsableiters keine Funkenbildung auftritt.

Bezugs zeichenliste

1 Überspannungsabieiter

2, 3 Elektrode

2a, 3a (innere) Elektrode

2b, 3b Flansch

2c, 3c Außenanschluss der Elektrode

4 Verschlusslötung

5 Isolierkörper

6 Hohlraum des Isolierkörpers

7 Elektrodenhohlraum

7a Hinterschneidung des Elektrodenhohlraums

8 Sackloch

9 Zündstrich

10 Kupferpaste gesintert

11 Aktivierungsmasse

A Elektrodenabstand