FR2492178A1

FR2492178A1 - VOLTAGE LIMITER WITH GAS-TIGHT ENCLOSURE IN INSULATING MATERIAL

Info

Publication number: FR2492178A1
Application number: FR8109422A
Authority: FR
Inventors: Walter Bosshard
Original assignee: Cerberus AG
Current assignee: Cerberus AG
Priority date: 1980-10-10
Filing date: 1981-05-12
Publication date: 1982-04-16
Also published as: DE3106763A1; GB2085222A; FR2492178B1; CH652246A5; DE3106763C2; GB2085222B

Abstract

LA SUBSTANCE 4, 5 A POUVOIR EMISSIF ELEVE D'ELECTRONS EST UN ALLIAGE A BASE DE BARYUM ELEMENTAIRE ET D'OXYDE DE TITANE CONTENANT 2 A 40 EN POIDS DE TITANATE DE BARYUM ET 98 A 60 EN POIDS DE POUDRE DE TITANE.SUBSTANCE 4, 5 WITH A HIGH ELECTRONIC EMISSIONS IS AN ALLOY BASED ON ELEMENTAL BARIUM AND TITANIUM OXIDE CONTAINING 2 TO 40 BY WEIGHT OF BARIUM TITANATE AND 98 TO 60 BY WEIGHT OF TITANIUM POWDER.

Description

La présente invention se rapporte à un limiteur de tension comportant uneThe present invention relates to a voltage limiter comprising a

enveloDpe étanche au gaz qui est réalisée en une matière isolante et à l'intérieur de laquelle sont disposées-à une certaine distance les unes en face des autres des électrodes dont au moins l'une porte une substance contenant du baryum et du titane et présentant un gas-tight envelope which is made of an insulating material and inside which are arranged - at a certain distance opposite each other electrodes, at least one of which carries a substance containing barium and titanium and having a

pouvoir émissif élevé d'électrons. high emissivity of electrons.

Dans des limiteurs de tension de ce type la substance à pouvoir émissif élevé d'électrons a pour but de réduire la tension d'allumage à une faible valeur stable désirée par exemple lorsque le limiteur de tension est utilisé dans des systèmes à basse tension et notamment dans des installations In voltage limiters of this type the substance with high emissivity of electrons aims to reduce the ignition voltage to a low stable value desired for example when the voltage limiter is used in low voltage systems and in particular in facilities

téléphoniques. Des substancescontenant des métaux alcalino- telephone calls. Substances containing alkali metals

terreux ou alcalins parmi lesquels le baryum convenant parti- earthy or alkaline, including the suitable barium

culièrement bien peuvent être utilisées à cet effet. Cepen- especially well can be used for this purpose. However

dant l'utilisation du baryum à l'état pur crée de grandes difficultés. On connaît, par la demande de brevet DE-OS 1 950 090, un limiteur de tension dont les électrodes sont revêtues d'une the use of barium in its pure state creates great difficulties. Known from patent application DE-OS 1 950 090, a voltage limiter whose electrodes are coated with a

couche d'activation en un alliage de baryum et d'aluminium. activation layer made of an alloy of barium and aluminum.

L'inconvénient de cette forme de réalisation connue réside The disadvantage of this known embodiment is

dans le fait que cette couche se réduit facilement en pous- in that this layer is easily reduced to push

sière et crée une couche sur la paroi intérieure de l'enve- and creates a layer on the inside wall of the enclosure.

loppe en matière isolante lors du fonctionnement et notamment lors d'une forte sollicitation électrique, ce qui provoque lops in insulating material during operation and in particular during high electrical stress, which causes

à la longue une dégradation de l'isolation. in the long run a degradation of the insulation.

Afin d'améliorer les caractéristiques de ces limiteurs In order to improve the characteristics of these limiters

de tension on a prévu, par exemple selon les demandes de bre- of voltage, for example according to the requests for bre-

vet DE-OS 2 537 964 et 2 619 866, d'additionner du bromure vet DE-OS 2 537 964 and 2 619 866, to add bromide

de potassium ou de l'hydrure de titane à l'alliage baryum- potassium or titanium hydride to the barium alloy-

aluminium. Ce procédé présente l'inconvénient que le mélange de ces différents composés doit être appliqué sous forme de pâte et en utilisant un liant sur les électrodes; le liant aluminum. This method has the disadvantage that the mixture of these different compounds must be applied in the form of a paste and using a binder on the electrodes; the binder

doit ensuite être séparé et éliminé par un procédé particu- must then be separated and disposed of by a special process

lier. La réalisation de ces limiteurs de tension est en con- bind. The realization of these voltage limiters is in con-

sénuence comuliauée, onéreuse et ne convient pas à une fabri- senulence combined, expensive and not suitable for a manufacture

cation rationnelle en grande série. rational cation in large series.

La présente invention a pour objet de créer un t492 178 limiteur de tension fonctionnant sous une faible tension et qui présente une longue durée de service sans que les The object of the present invention is to create a t492 178 voltage limiter operating at a low voltage and which has a long service life without the

caractéristiques électriques se dégradent pendant son fonc- electrical characteristics deteriorate during operation

tionnement ou lors de fortes sollicitations électriques ainsi qu'un procédé pour une fabrication rationnelle en grande operation or during high electrical stresses as well as a process for rational production in large

série de limiteurs de tension de ce type. series of voltage limiters of this type.

Ces Problèmes sont résolus conformément à l'invention par un limiteur de tension qui est caractérisé en ce que la substance à pouvoir émissif élevé d'électrons est composée de baryum élémentaire et d'oxyde de titane. Un limiteur de These Problems are solved in accordance with the invention by a voltage limiter which is characterized in that the substance with high emissivity of electrons is composed of elementary barium and titanium oxide. A limiter

tension de ce type peut être réalisé conformément à l'inven- voltage of this type can be realized in accordance with the invention

tion en appliquant à force sur la surface d'au moins l'une des électrodes un mélange composé d'une poudre de titane et d'une poudre de titanate de baryum avant l'assemblage des tion by forcibly applying to the surface of at least one of the electrodes a mixture composed of a titanium powder and a barium titanate powder before assembling the

électrodes avec l'enveloupe en matière isolante. electrodes with the insulating material cover.

Diverses autres caractéristiques de l'invention res- Various other features of the invention res-

sortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. emerge from the detailed description which follows.

Deux formes de réalisation de l'objet de l'invention Two embodiments of the subject of the invention

sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, au des- are shown, by way of nonlimiting examples, above

sin annexé.sin annexed.

La fig. 1 montre en coupe un limiteur de tension sui- Fig. 1 shows in section a tension limiter followed

vant une première forme de réalisation. vant a first embodiment.

La fig. 2 est une coupe d'un limiteur de tension sui- Fig. 2 is a section through a voltage limiter followed

vant une deuxième forme de réalisation. before a second embodiment.

Le limiteur de tension représenté à la fig. 1 comporte une enveloppe cylindrique 1 en matière isolante, par exemple un tube de céramique en oxyde d'aluminium. Deux électrodes 2 et 3, par exemDle en un alliage fusible Fe-Ni ou Fe-Ni-Co, sont introduites dans les extrémités ouvertes du tube 1 et reliées par fusion à ce dernier de façon étanche au gaz et de manière que les parties médianes des électrodes 2, 3 se The voltage limiter shown in fig. 1 comprises a cylindrical envelope 1 made of insulating material, for example a ceramic tube made of aluminum oxide. Two electrodes 2 and 3, for example of a fusible Fe-Ni or Fe-Ni-Co alloy, are introduced into the open ends of the tube 1 and connected by fusion to the latter in a gas-tight manner and so that the middle parts electrodes 2, 3

trouvent à une certaine distance l'une en face de l'autre. are located at a certain distance opposite one another.

Dans des limiteursde tension utilisés dans la tech- In voltage limiters used in tech-

nique des télécommunications, notamment dans des installations téléphoniques, l'enveloppe en matière isolante peut présenter un diamètre compris entre 5 et 8 mm et il est avantageux d'utiliser un tube de céramique dont l'épaisseur de paroi est comprise entre 1 et 1,5 mm, l'épaisseur des électrodes telecommunications, particularly in telephone installations, the envelope of insulating material may have a diameter of between 5 and 8 mm and it is advantageous to use a ceramic tube whose wall thickness is between 1 and 1, 5 mm, the thickness of the electrodes

étant comprise entre 0,5 et 1,0 mm. being between 0.5 and 1.0 mm.

Sur leurs faces avant situées à une certaine distance l'une en face de l'autre, les électrodes 2, 3 portent une On their front faces located at a certain distance opposite one another, the electrodes 2, 3 carry a

couche 4 et 5 d'une substance à pouvoir émissif élevé d'élec- layer 4 and 5 of a high emissivity substance

trons. Cette substance est placée, de préférence, dans des trons. This substance is preferably placed in

parties creuses 6 et 7 des surfaces avant des électrodes. hollow parts 6 and 7 of the front surfaces of the electrodes.

Afin d'augmenter la pronriété adhésive les surfaces médianes In order to increase the adhesive proneness of the median surfaces

des faces avant peuvent présenter un dessin gaufré 8, 9. front faces may have an embossed design 8, 9.

Les substances 4, 5 contiennent en même temps du baryum élé- Substances 4, 5 contain at the same time barium

mentaire et de l'oxyde de titane (TiO2). and titanium oxide (TiO2).

L'espace intérieur 10 étanche au gaz est rempli d'un gaz inerte approprié, par exemple de l'argon, auquel on additionne éventuellement de l'hydrogène. Afin d'éviter The gas-tight interior space 10 is filled with a suitable inert gas, for example argon, to which hydrogen may optionally be added. To avoid

des retards à l'allumage indésirables, il est possible d'addi- unwanted ignition delays, it is possible to add

tionner une faible quantité de tritium. On peut également prévoir d'autres auxiliaires d'allumage connus par exemple sous forme de traits conducteurs, etc. La fig. 2 montre un exemple d'un limiteur de tension qui se différencie de celui suivant la fig. 1 du fait que la couche à pouvoir émissif d'électrons élevé est appliquée sur les électrodes. Par différence à la fig. 1 les électrodes a small amount of tritium. It is also possible to provide other known ignition auxiliaries, for example in the form of conductive lines, etc. Fig. 2 shows an example of a voltage limiter which differs from that according to FIG. 1 because the high electron-emissivity layer is applied to the electrodes. Unlike in fig. 1 the electrodes

de la fig. 2 présentent des surfaces médianes 10, 11 sur les- of fig. 2 have median surfaces 10, 11 on the

quelles la couche 12 à pouvoir émissif élevé d'électrons est rapportée de façon que ses bords 13 épousent les angles des which the layer 12 with high emissivity of electrons is added so that its edges 13 match the angles of the

parties médianes des électrodes.middle parts of the electrodes.

Un limiteur de tension de ce type peut être réalisé, A voltage limiter of this type can be produced,

par exemple, de la façon suivante.for example, as follows.

Un mélange d'une poudre de titane et de titanate de A mixture of titanium powder and titanate

baryum (BaTiO3) est introduit sous pression et-sans:utilisa- barium (BaTiO3) is introduced under pressure and without: use

tion d'un liant dans les parties creuses centrales 6, 7 des électrodes 2, 3 avant l'assemblage par fusion de ces dernières avec l'enveloppe 1 en matière isolante. La teneur en titane du mélange est de préférence comprise entre 98 et 60 % en poids et la teneur en BaTiO3 entre 2 et 40 % en poids. Selon une variante de l'invention on peut encore additionner au mélange pulvérulent du titanate de calcium (CaTiO) ou du titanate de magnésium (MgTiO3). Il est ainsi possible de faire varier la tension de décharge par effluves du limiteur tion of a binder in the central hollow parts 6, 7 of the electrodes 2, 3 before assembly by fusion of the latter with the casing 1 of insulating material. The titanium content of the mixture is preferably between 98 and 60% by weight and the BaTiO3 content between 2 and 40% by weight. According to a variant of the invention, it is also possible to add calcium titanate (CaTiO) or magnesium titanate (MgTiO3) to the pulverulent mixture. It is thus possible to vary the discharge voltage by fragrance of the limiter

de tension. Grâce au dessin gaufré des surfaces 8, 9, on ob- Of voltage. Thanks to the embossed design of the surfaces 8, 9,

tient une propriété d'adhésion suffisante. Les électrodes holds sufficient adhesion property. The electrodes

ainsi préparées sont reliées à l'enveloppe 1 en matière iso- thus prepared are connected to the envelope 1 in iso- material

lante de façon connue, par exemple par le brevet CH 378 765, par fusion, de facon étanche au gaz en insérant éventuellement in a known manner, for example by patent CH 378 765, by fusion, in a gas-tight manner by possibly inserting

des couches intermédiaires appronriées. Cet assemblage s'ef- suitable intermediate layers. This assembly works

fectue par la mise en contact des pièces revêtues éventuel- made by bringing the coated parts into contact,

lement de couches intermédiaires appropriées et par chauffage des pièces tout d'abord à environ 4500C sous vide et ensuite à environ 9500C sous une atmosnhère inerte correspondant au gaz de remplissage prévu. Pendant le traitement thermique le titanate de baryum se décompose pour former une substance Lement of suitable intermediate layers and by heating the pieces firstly to about 4500C under vacuum and then to about 9500C under an inert atmosphere corresponding to the intended filling gas. During heat treatment barium titanate breaks down to form a substance

solide qui contient du baryum et de l'oxyde de titane (TiO2). solid which contains barium and titanium oxide (TiO2).

On suppose que cette substance présente en plus du baryum à l'état élémentaire également des défauts de réseau de titane qui provoquent un pouvoir émissif d'électrons surprenant et It is supposed that this substance presents in addition to barium in the elementary state also defects of titanium network which cause a surprising emissivity of electrons and

très élevé.very high.

Les limiteurs de tension dont les électrodes sont revêtues d'une substance d'activation de ce type présentent de façon surprenante des avantages importants par rapport Surge arresters with electrodes coated with this type of activating agent surprisingly have significant advantages over

aux limiteurs de tension connus comportant en tant que subs- to known voltage limiters comprising as sub-

tance d'activation d'autres alliages de baryum et notamment des alliages de baryum et d'aluminium. On a constaté que la réduction en poussière de la substance d'activation pendant Activation tance of other barium alloys and in particular barium and aluminum alloys. It has been found that the dust reduction of the activating substance during

le fonctionnement, et notamment lors d'une forte sollicita- operation, and in particular during a high demand

tion électrique, est nettement plus faible lorsqu'on utilise une substance d'activation contenant en même temps du baryum et de l'oxyde de titane que lors de l'utilisation des couches electrical action, is significantly lower when using an activating substance containing barium and titanium oxide at the same time than when using the layers

d'activation connues à base de baryum. De ce fait les limi- barium-based activators. Therefore the limits

teurs de tension de ce type permettent une meilleure conser- Voltage detectors of this type allow better conservation

vation de l'isolation de la paroi intérieure de l'enveloppe insulation of the inner wall of the enclosure

et ceci même pour des durées de service prolongées. En con- even for extended service lives. In con-

séquence ces limiteurs de tension présentent une grande sequence these voltage limiters have great

longévité ce qui est inattendu pour l'homme de l'art connais- longevity which is unexpected for those skilled in the art

sant les caractéristiques des mélanges ainsi réalisés. the characteristics of the mixtures thus produced.

La fabrication des limiteurs de tension décrits est en outre très simple parce que la substance d'activation peut être appliquée sans utiliser un liant et que de ce fait The manufacture of the described voltage limiters is furthermore very simple because the activating substance can be applied without using a binder and therefore

les opérations de pompage et de remplissage en gaz se trou- pumping and gas filling operations are found

vent sensiblement simplifiées. De plus il ne subsiste pas de résidus provenant de la présence d'un liant. La création de la substance d'activation peut s'effectuer en même temps que l'assemblage par fusion des électrodes avec le corps en céramiaue par un seul traitement thermique. En conséquence le procédé suivant l'invention permet une fabrication non significantly simplified. In addition, no residue remains from the presence of a binder. The creation of the activation substance can be carried out at the same time as the assembly by fusion of the electrodes with the ceramic body by a single heat treatment. Consequently, the process according to the invention allows a non-manufacturing

polluante, rationnelle et en grande série. polluting, rational and in large series.

Il est à noter que le procédé suivant l'invention con- It should be noted that the process according to the invention involves

vient également à des limiteurs de tension de formes diffé- also comes with voltage limiters of different shapes

rentes-notamment à ceux qui comnortent plus de deux élec- annuities - especially to those who have more than two electors

trodes, par exemple des limiteurs de tension à double trajet. trodes, for example double path voltage limiters.

Au lieu d'une enveloppe en céramique on peut utiliser une Instead of a ceramic envelope you can use a

enveloppe en une autre matière isolante, par exemple, en ver- envelope of another insulating material, for example, glass

re. Il est en outre possible d'effectuer l'assemblage à l'ai- re. It is also possible to assemble with

de d'un autre procédé de fusion. Le mélange pulvérulent peut également être dopé de nickel 63 radioactif, comme cela est connu par la demande de brevet DE-OS 2 445 063, ce qui permet of another fusion process. The powder mixture can also be doped with radioactive nickel 63, as is known from patent application DE-OS 2 445 063, which allows

de renoncer à l'addition de tritium au gaz de remplissage. to refrain from adding tritium to the filling gas.

Dans le cas d'installations fonctionnant sous des ten- In the case of installations operating under voltage

sions continues, il peut être suffisant de ne revêtir d'une couche ou d'une substance réduisant l'émission d'électrons continuous ions, it may be sufficient not to coat with a layer or substance that reduces electron emission

que l'électrode qui sert de cathode quoiqu'il est générale- that the electrode which serves as a cathode although it is general-

ment préférable, notamment lorsqu'il s'agit de limiteurs de tension alternative, de revêtir les deux électrodes d'une It is preferable, especially in the case of AC voltage limiters, to coat the two electrodes with a

couche d'activation.activation layer.

Le limiteur de tension décrit et réalisé suivant le procédé de la présente invention convient particulièrement The voltage limiter described and produced according to the method of the present invention is particularly suitable

à la protection contre une surtension d'appareils ou de sys- protection against overvoltage of devices or systems

tèmes fonctionnant à basse tension, par exemple les instal- temes operating at low voltage, for example instal-

lations de téléphone exigeant une tension d'allumage faible et stable qui doit être conservée pendant de longues durées de service et ceci même pour des sollicitations électriques élevées. Telephone connections requiring a low and stable ignition voltage which must be maintained for long periods of service, even for high electrical stresses.

Claims

1 - Voltage limiter with a waterproof envelope

gas gas (1) which is made of an insulating material and

inside which are arranged a certain dis-

electrodes (2, 3) facing each other, at least one of which carries a substance (4, 5) containing barium

and titanium and having a high emissivity of electro

trons, characterized in that the substance (4, 5) with high electron-emitting power is a barium-based alliac

elemental and titanium oxide.

2 - Voltage limiter according to claim 1, characterized in that the substance (4, 5) contains as an additional compound a compound of calcium and / or magnesium.

3 - Voltage limiter according to one of the claims

cations 1 and 2, characterized in that the substance (4, 5)

is doped with radioactive nickel 63.

4 - Method for producing a voltage limiter

according to one of claims 1 to 3, characterized in

that a mixture composed of a powder of titanium and barium titanate is applied by force to the surface of at least one of the electrodes (2, 3) before the assembly of the electrodes

t2, 3) with the envelope (1) of insulating material.

- Method according to claim 4, characterized in that the mixture contains between 2 and 40% by weight of barium titanate and between 98 and 60% by weight of powder

titanium.

6 - Method according to claim 4, characterized

in that melanae contains as additional compounds

of calcium titanate and / or magnesium titanate.

7 - Method according to claim 4, characterized

in addition to the addition of nickel 63 radio-

active.

8 - Method according to one of claims 4 to 7,

characterized in that the force applied mixture is heated

at a temperature which is higher than the decomposition temperature of barium titanate during assembly by fusion of the electrodes (2, 3) with the envelope (1) in

insulating material.