DE3106763A1

DE3106763A1 - Ueberspannungsableiter

Info

Publication number: DE3106763A1
Application number: DE19813106763
Authority: DE
Inventors: Walter 8640 Rapperswil Bosshard
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1980-10-10
Filing date: 1981-02-24
Publication date: 1982-04-29
Also published as: DE3106763C2; GB2085222A; FR2492178A1; CH652246A5; FR2492178B1; GB2085222B

Description

DR.-ING. WOLFF. H, BARTELS..:.. . ' 1 V R < ^-

DIPL-CHEM-DR-RER-NATiBRANDES . I &> U U^J IMWNG. HELD. DIPL-PHYS. WOLFF

7STnJTTGARTLLANGESTRASSESl _ ^-_j 2 a FB

Ueberspannungableiter

Die Erfindung betrifft einen Ueberspannungsableiter mit einem gasdichten Isolierstoff-Gehäuse, in dem einander mit Abstand gegenüberstehend Elektroden angeordnet sind, wobei wenigstens eine der Elektroden eine Barium und Titan enthaltende Substanz hoher Elektronenemissionsfähigkeit trägt.

Bei Ueberspannungsableitern dieser Art dient die Substanz mit hoher Elektronenemissionsfähigkeit zur Herabsetzung der Zündspannung auf einen gewünschten stabilen niedrigen Wert, zum Beispiel bei Verwendung in Niederspannungssystemen, wie speziell in Telefonanlagen. Zu diesem Zweck sind beispielsweise Substanzen geeignet, die Erdalkali- oder Alkali-Metalle enthalten. Als besonders geeignet hat sich Barium erwiesen. Die Verwendung reinen elementaren Bariums stösst jedoch auf erhebliche Schwierigkeiten.

Aus der DE-OS 19 50 090 ist ein Ueberspannungsableiter mit einer Aktivierungsschicht aus einer Barium-Aluminium-Legierung auf den Elektroden bekannt. Nachteilig ist ,dabei, dass diese Schicht im Betrieb, insbesondere bei starker elektrischer Beanspruchung, leicht zerstäubt und an der Innenwand des Isolierstoff-Gehäuses eine Schicht bildet, die die Isolation im Laufe der Zeit verschlechtert.

Zur Verbesserung der Eigenschaften solcher Ueberspannungsableiter ist es beispielsweise aus den DE-OS 25 37 964 und DE-OS 26 19 866 bekannt geworden, der Barium-Aluminium-Legierung Kaliumbromid oder Titanhydrid bzw. metallisches Titan beizumischen. Nachteilig ist hierbei, dass die Mischung der einzelnen Bestandteile als Paste mit einem Binde-

mittel auf die Elektroden aufgebracht werden muss, und das Bindemittel durch ein spezielles Fabrikationsverfahren zersetzt und entfernt, werden muss. Die Herstellung solcher Ueberspannungsableiter ist daher kompliziert und aufwendig, und daher kaum für eine kostengünstige Massenfabrikation geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen üeberspannungsableiter mit niedriger Ansprechspannung zu schaffen, der eine verbesserte Langzeitstabilität und eine hohe Lebensdauer ohne Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften während des Betriebes und bei starker elektrischer Beanspruchung aufweist, sowie ein Verfahren zur kostengünstigen Massenherstellung solcher Ueberspannungsableiter anzugeben.

Erfindungsgemäss. wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Substanz mit hoher Elektronenemissionsfähigkeit elementares Barium und Titanoxid als Bestandteile aufweist. Erfindungsgemäss lässt sich ein solcher Ueberspannungsableiter herstellen, indem vor der Zusammenfügung der Elektroden mit dem Isolierstoff-Gehäuse ein Gemisch aus Titan-Pulver und Bariumtitanat in Pulverform auf die Oberfläche wenigstens einer der Elektroden aufgepresst wird.

Die Erfindung wird anhand zweier in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

In Figur 1 ist ein Ueberspannungsableiter mit einem zylindrischen Isolierstoff-Gehäuse 1, beispielsweise aus einem Aluminiumoxid-Keramik-Rohr, dargestellt. In die beiden offenen Enden dieses Rohres 1 sind zwei Elektroden 2 und 3, zum Beispiel aus einer Fe-Ni- oder Fe-Ni-Co-Einschmelzlegierung gasdicht eingeschmolzen, so dass die Mittel-

teile dieser Elektroden 2 und 3 sich mit.Abstand gegenüberstehen. "■".-- ΐ%· -■■> ν ν- - - ,

Der Durchmesser des isolierstoff-Gehäüses kann bei Üeberspannungsableitern_;wie^? sie in der -Nachrichtentechnik/speziell in Telefonanlagen Verwendung finden/ beispielsweise bei 5 bis 8 mm liegen, dabei ist es zweckmässig, ein Keramikrohr mit einer Wandstärke von 1-1,5 mm und Elektroden mit einer Dicke von 0,5 - 1,0 mm zu verwenden.

Die beiden Elektroden 2 und 3 tragen auf ihren mit Abstand gegenüberstehenden Stirnseiten je eine Schicht 4 und 5 mit hoher Elektronenemissionsfähigkeit. Diese Substanzen sind zweckmässigerweise in Vertiefungen 6 und der Elektrodenstirnflächen angebracht. Zur Erziehung einer besseren Haftfähigkeit können die Mittelflachen der Elektrodenstirnflächen 8 und 9 jeweils mit einem Waffelmuster versehen sein. Die Substanzen 4 und'5 enthalten gleichzeitig elementares Barium und Titanoxid (TiO₂).*

Der gasdichte Innenraum 10 des Ueberspannungsableiters ist mit einem geeigneten inerten Füllgas gefüllt, zum Beispiel mit Argon, gegebenenfalls mit einem Wasserstoffzusatz. Zur Vermeidung unerwünschter Zündverzögerungen kann in bekannter Weise ein geringer Anteil von Tritium beigemischt sein. Ausserdem können bekannte Zündhilfen in Form von Zündstrichen etc. vorgesehen sein.

Figur 2 zeigt ein Beispiel eines Ueberspannungsableiters der sich von dem nach Figur 1 durch die Anbringung der Schicht mit hoher Emissionsfähigke'i.t a,uf den Elektroden unterscheidet. Zum Unterschied von Figur 1 besitzen die Elektroden von Figur 2 Flächemittelstücke 10 und 11, auf die die Schicht 12 mit hoher Emissionsfähigkeit so auf-

getragen ist, dass deren Ränder 13 über die Kanten der Elektroden-Mittelstücke hinausreichen.

Ein überspannungsableiter -dieser Art lässt sich bei-' öpielswe'±s_t&'w,ie^r folgt herstellen"·:'·-"¹-*'"

Auf die Eleji^öcfen""^r: 2 und 3 Wird vor ihrer Verschmelzung mit dem isjöliersttiff-Gehäuse 1 in deren zentrale Ver- ς. - tie funken 6 und 7 ein Gemisch aus Titan-Pulver und Bariumtitanat (BaTiO₃) ohne Bindemittel eingepresst. Vorteilhafterweise liegt dabei der Titan-Gehalt zwischen 98 und 60 Gewichts-% und der BaTiO₃~Gehalt zwischen 2 und 40 Gewichts-%. Bei einer zweckmässigen Weiterbildung der Erfindung können dem Pulvergemisch noch Anteile von Kalziumtitanat (CaTiO₃) oder Magnesiumtitanat (MgTiO₃) zugegeben werden. Auf diese Weise kann die Glimmbrennspannung des Ue^berspannungsäbleiters variiert werden. "' Durch" dxfer vlaiffelartige Ausbildung der Oberflächen 8 und wird dabei eine''hinreichende Haftfähigkeit gewährleistet. Die so vo'rBehäifed^l'ten Elektroden werden mit dem Isolier- - ' stoff-GefiSus'e in bekannter Weise, wie z.B. im Schweizerpatent ?Jf?~378'765 beschrießen, gegebenenfalls vermittels geeigneter Zwischenschichten gasdicht verschmolzen. Dies erfolgt durch Zusammenfügen der gegebenenfalls mit geeigneten Zwischenschichten versehenen Teile und Erhitzung im Vakuum auf beispielsweise 450 C und anschliessender Erhitzung auf etwa 950 C in einer inerten, der gewünschten , Gasfüllung entsprechenden Atmosphäre. Während dieser ."■'"-. Temperaturbehandlung zersetzt sich das Barium-Titanat ', ·;"- λ und es bildet'sich eine feste Substanz, die als Bestand- * teile Barium üncTTitanoxid (TiO₃)/ und metallisches

Titan enthält.-Ssrist zu vermuten, dass neben dem elemen- ;...: tar vorrietehägni%arium auch- Titan-Gitterfehlstellen /-vorhanden: sind,i-äie eine überraschend hohe Elektronen-,,;:. Emissionsfähigkeit' bewirken: "' '

Ueberraschenderweise zeigten derartige Üeberspannungsableiter mit einer solchen Aktivierungssubstanz auf den Elektroden erhebliche Vorteile gegenüber vorbekannten üeberspannungsableitern mit anderen Barium-Legierungen oder Bariumoxid als Aktivierungssubstanz, speziell mit Barium-Aluminium-Legierungen. Es zeigte sich, dass die Zerstäubung der Aktivierungssubstanz während des Betriebes, insbesondere bei starker elektrischer Beanspruchung bei Verwendung einer Aktivierungssubstanz mit elementarem Barium und Titanoxid als gleichzeitigen Bestandteilen geringer war als bei Verwendung anderer vorbekannter bariumhaltiger Aktivierungsschichten. Solche Üeberspannungsableiter zeigten daher auch bei längeren Betriebszeiten eine erheblich bessere Aufrechterhaltung der Isolation auf der Innenwand des Gehäuses und daher eine erheblich verbesserte Langzeitstabilität, was nach Kenntnis der chemischen Eigenschaften so hergestellter Mischungen für den Fachmann nicht zu erwarten war.

Ausserdem ist die Herstellung der beschriebenen Üeberspannungsableitern erheblich vereinfacht, da die Aktivierungssubstanz ohne Bindemittel aufgebracht werden kann und die Pump- und Gasfüllvorgänge daher erheblich vereinfacht sind. Ausserdem treten keine störenden Rückstände des Bindemittels auf. Zudem lässt sich die Formierung der Aktivierungssubstanz gleichzeitig bei der Verschmelzung der Elektroden mit dem Keramikkörper durch eine einzige Temperaturbehandlung durchführen. Das erfindungsgemässe Verfahren ist daher besonders für eine saubere und kostengünstige Massenherstellung geeignet.

Es sei bemerkt, dass sich der Erfindungsgedanke auch bei Üeberspannungsableitern anderer Form anwenden lässt, insbesondere können mehr als zwei Elektroden vorhanden sein,

wie bei sogenannten Zweistrecken-üeberspannungsableitern erforderlich. Statt eines Keramikgehäuses kann ein anderes Isolierstoff-Gehäuse Verwendung finden, zum Beispiel ein Glaskörper. Weiter kann eine andere bekannte Einschmelztechnik Verwendung finden. Das Pulvergemisch kann auch, wie aus der DE-OS 24 45 063 bekannt, mit radioaktivem Nickel 63 dotiert sein, so dass in diesem Fall auf eine Beimengung von Tritium zum Füllgas verzichtet werden kann.

Obwohl es im allgemeinen zweckmässig ist, insbesondere bei Wechselspannungs-Ueberspannungsableitern, beide Elektroden mit einer Aktivierungsschicht zu versehen, kann es bei Verwendung in Gleichspannungsanlagen ausreichen, nur die als Kathode dienende Elektrode mit einer entsprechenden, die Elektronenaustrittsarbeit herabsetzenden Schicht oder Substanz zu versehen.

Der beschriebene, auf die angegebene Weise hergestellte Ueberspannungsableiter eignet sich besonders zum Ueberspannungsschutz von Niederspannungs-Geräten und -Systemen, wie z.B. Telefonanlagen, wo eine stabile niedrige Zündspannung erforderlich ist, die über längere Betriebszeiten, auch bei starker elektrischer Beanspruchung aufrechterhalten bleibt.

Claims

Patentansprüche

( 1./Ueberspannungsableiter mit einem gasdichten Isolierstoff-Gehäuse (1), in dem einander mit Abstand gegenüberstehend Elektroden (2, 3) angeordnet sind, wobei wenigstens eine Elektrode eine Barium und Titan enthaltende Substanz (4, 5) mit hoher Elektronenemissionsfähigkeit trägt, dadurch gekennzeichnet, das die Substanz (4, 5) mit hoher Elektronenemissionsfähigkeit elementares Barium und Titanoxid als Bestandteile aufweist.
2. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (4, 5) als zusätzlichen Bestandteil eine Kalzium- und/oder Magnesium-Verbindung aufweist. .
3. ueberspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (4, 5) mit radioaktivem Nickel 63 dotiert ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Ueberspannungsableiters nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt, dass vor der Zusammenfügung der Elektroden (2, 3) mit dem Isolierstoff-Gehäuse (1) ein Gemisch aus einem Titan-Pulver und Bariumtitanat auf die Oberfläche wenigstens einer der Elektroden (2, 3) aufgepresst wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch zwischen 2 und 40 Gewichts-% Bariumtitanat und zwischen 98 und 60 Gewichts-% Titan-Pulver enthält.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gemisch zusätzlich Kalziumtitanat und/oder Magnesium-

titanat beigefügt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gemisch zusätzlich radioaktives Nickel 63 beigefügt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgepresste Gemisch beim Zusammenschmelzen der Elektroden (2, 3) mit dem Gehäuse (1) auf eine über der Zersetzungstemperatur des Bariumtitanats liegenden Temperatur erhitzt wird.