DE4318366A1

DE4318366A1 - Gas-discharge overvoltage suppressor

Info

Publication number: DE4318366A1
Application number: DE4318366A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Boy; Axel Dr Hahndorff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-04-21
Filing date: 1993-05-28
Publication date: 1994-10-27

Abstract

A gas-filled three-electrode overvoltage suppressor is designed such that it has a reliable fail-safe and vent-safe behaviour. To this end, a two-armed spring clip (10) is fixed to the centre electrode (1) and its ends rest at the end on the end electrodes (2, 3) with the interposition of a spacer (20, 21; 22, 23). The end of each arm of the spring clip is fitted with a cap (14, 15) which is provided with a flange-like rim (16, 17). One end of the connecting wire (6, 7) of each end electrode is in the form of a ring (61, 71) which is fastened at the end to the end electrode. The ring of the connecting wire and the flange-like rim of the cap are opposite one another and are held at a distance by means of a fusing pellet (20, 22), which is in the form of a disc, and a cylindrical component (21, 23) having insulating properties. The cylindrical component consists either of a temperature-resistant insulating material or of a metal-oxide varistor. <IMAGE>

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauele mente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung von Gas entladungsüberspannungsableitern anzuwenden, die außer einer Mittelelektrode zwei Endelektroden aufweisen und die mittels einer Zusatzeinrichtung so ausgebildet sind, daß sie ein sogenanntes fail-safe-Verhalten und gegebenenfalls auch ein sogenanntes vent-safe-Verhalten aufweisen.The invention is in the field of electrical components ment and is in the design of gas Discharge surge arresters to apply, except a central electrode have two end electrodes and the are formed by means of an additional device so that a so-called fail-safe behavior and, if necessary also have a so-called vent-safe behavior.

Bei einem bekannten Überspannungsableiter dieser Art mit einer ringförmigen Mittelelektrode, zwei seitlich davon angeordneten hohlzylindrischen Isolierkörpern und zwei an den Enden der Isolierkörper angeordneten Endelektroden ist an der Mittelelektrode ein zweiarmiger Federbügel fixiert, wobei die Enden der beiden Arme unter Zwischenschaltung eines isolierenden Abstandhalters am Umfang der beiden Elektroden anliegen. Als Abstandhalter dient ein Überzug aus einem Polyurethanharz. Bei einer Überhitzung des Ab leiters kann dieser Harzüberzug schmelzen, wodurch das Ende des Armes des Federbügels in Kontakt in der Endelek trode kommt und damit den Überspannungsableiter kurz schließt. Diese Eigenschaft des Überspannungsableiters wird als "fail-safe-Verhalten" bezeichnet. - Weiterhin sind die Enden der Arme des Federbügels scharfkantig aus gebildet, so daß sich an diesen scharfen Kanten gegebenen falls eine hohe elektrische Feldstärke ausbilden kann. Dies ist dann von Bedeutung, wenn der Überspannungsableiter durch eine Undichtigkeit im Gehäuse ausgefallen ist. In diesem Fall können auftretende Überspannungen über die zwischen dem scharfkantigen Ende des Armes des Federbügels und den Endelektroden gebildete Luftfunkenstrecke hilfswei se abgeleitet werden. Diese Eigenschaft des Überspannungs ableiters wird als "vent-safe-Verhalten" bezeichnet (US-PS 4 912 592).With a known surge arrester of this type an annular center electrode, two to the side of it arranged hollow cylindrical insulating bodies and two the ends of the insulating body arranged end electrodes a two-armed spring bracket fixed to the center electrode, with the ends of the two arms interposed an insulating spacer on the circumference of the two Electrodes. A coating serves as a spacer made of a polyurethane resin. If the Ab this resin coating can melt, causing the End of the arm of the spring clip in contact in the end elek trode comes and thus the surge arrester short closes. This property of the surge arrester is referred to as "fail-safe behavior". - Farther the ends of the arms of the spring clip are sharp-edged formed so that given on these sharp edges if a high electric field strength can develop. This is important if the surge arrester has failed due to a leak in the housing. In In this case, overvoltages can occur over the between the sharp-edged end of the arm of the spring clip and the air spark gap formed in the end electrodes se can be derived. This property of the surge arrester is called "vent-safe behavior" (U.S. Patent 4,912,592).

Zur Erzeugung eines fail-safe-Verhaltens bei einem Drei elektroden-Überspannungsableiter ist auch eine Konstruk tion bekannt, bei dem die Enden der Arme des Federbügels nicht radial sondern axial an den Endelektroden unter Zwischenschaltung eines schmelzbaren Kunststoffkörpers an liegen. Bei Überhitzung des Ableiters schmilzt der im wesentlichen zylindrische Kunststoffkörper, wodurch der Federbügel zur Anlage an der Endelektrode kommt und damit den Überspannungsableiter kurzschließt (US-PS 4 984 125, Fig. 1a). Bei dieser bekannten Ausführungsform eines Über spannungsableiters sind sowohl die Mittelelektrode als auch die Endelektrode mit radial herausgeführten Anschlußdrähten versehen.To produce a fail-safe behavior in a three-electrode surge arrester, a construction is also known in which the ends of the arms of the spring clip are not radial but axially on the end electrodes with the interposition of a fusible plastic body. When the arrester overheats, the essentially cylindrical plastic body melts, as a result of which the spring clip comes into contact with the end electrode and thus short-circuits the surge arrester (US Pat. No. 4,984,125, FIG. 1a). In this known embodiment of a surge arrester, both the center electrode and the end electrode are provided with radially guided connecting wires.

Für Überspannungsableiter mit lediglich zwei Elektroden ist es weiterhin bekannt, das fail-safe-Verhalten durch Verwen dung einer Scheibe aus niedrig schmelzendem Lotmaterial zu erzielen, wobei eine unter einer axialen Federkraft stehen de Kontakteinrichtung gegen die Scheibe aus Lotmaterial verspannt ist und bei schmelzender Lotscheibe axial verscho ben wird und dabei den Überspannungsableiter kurzschließt. Zur Sicherstellung des vent-safe-Verhaltens ist bei diesem bekannten Überspannungsableiter auf die eine Elektrode ein back-up in Form einer Luftfunkenstrecke aufgesetzt (US-PS 4 366 412).For surge arresters with only two electrodes it also known to use fail-safe behavior a disc of low-melting solder material achieve, one of which is under an axial spring force de Contact device against the washer made of solder material is clamped and axially shifted when the soldering disk melts ben and short-circuits the surge arrester. To ensure the vent-safe behavior is with this known surge arrester on one electrode back-up in the form of an air spark gap (U.S. Patent 4,366,412).

Bei den vorerwähnten Drei-Elektroden-Überspannungsableitern mit an der Mittelelektrode fixiertem Federbügel ergibt sich im Falle einer thermischen Überlastung des Ableiters lediglich ein punktförmiger Kontakt zwischen dem Feder bügel und den Endelektroden. Für den Falls sehr hoher Kurz schlußströme besteht daher die Gefahr, daß die Enden der Arme des Federbügels thermisch zerstört werden.With the aforementioned three-electrode surge arresters with spring clip fixed to the center electrode in the event of a thermal overload of the arrester just a point contact between the spring bracket and the end electrodes. In the case of very high short therefore there is a danger that the ends of the Arms of the spring clip can be thermally destroyed.

Ausgehend von einem Gasentladungsüberspannungsableiter mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Überspannungs ableiter und den an der Mittelelektrode fixierten Federbü gel so auszugestalten, daß im Überlastfall eine sichere Kon taktierung gegeben ist, die auch hohe Ströme führen kann. Diese Ausgestaltung soll es gleichzeitig ermöglichen, dem Überspannungsableiter "vent-safe-Eigenschaften" zu geben.Starting with a gas discharge surge arrester the features of the preamble of claim 1 the invention is based, the overvoltage the task arrester and the spring bracket fixed to the center electrode gel so that a safe con clocking is given, which can also carry high currents. This configuration should make it possible at the same time Surge arrester to give "vent-safe properties".

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorge sehen, daß der Anschlußdraht jeder Endelektrode am ablei terseitigen Ende die Form eines Ringes hat, der stirnsei tig an der Endelektrode befestigt ist, daß weiterhin das Ende jedes Armes des Federbügels eine Kappe trägt, wobei diese Kappe mit einem flanschartigen Rand versehen ist, dessen Durchmesser dem Durchmesser des ringförmigen An schlusses entspricht, und daß im übrigen der Abstandhalter zwischen jeder Endelektrode und der Kappe aus einer schei benförmigen Schmelzpille und einem temperaturbeständigen, zylindrischen Bauteil mit isolierenden Eigenschaften be steht, wobei der Außendurchmesser der Schmelzpille der des zylindrischen Bauteiles kleiner sind als der Innendurch messer der Kappe.To solve this problem is according to the invention see that the lead wire of each end electrode on the cable end has the shape of a ring, the end face tig is attached to the end electrode that continues End of each arm of the spring clip wears a cap, whereby this cap is provided with a flange-like edge, whose diameter is the diameter of the ring-shaped conclusion corresponds, and that the rest of the spacer between each end electrode and the cap made of a schei ben-shaped melting pill and a temperature-resistant, be cylindrical component with insulating properties stands, the outer diameter of the melting pill that of cylindrical component are smaller than the inside knife of the cap.

Bei einem derart ausgebildeten Gasentladungs-Überspannungs ableiter steht im Kurzschlußfalls eine relativ große Kon taktfläche zur Verfügung, die einerseits von dem flansch artigen Rand der Kappe am Federbügel und andererseits von dem ringförmigen Teil des Anschlusses der Endelektrode ge bildet wird. Sofern der Überspannungsableiter lediglich ein fail-safe-Verhalten aufweisen soll, erscheint es zweckmäßig die scheibenförmige Schmelzpille zwischen der Endelektrode und dem zylindrischen Bauteil anzuordnen und für das tem peraturbeständige, zylindrische Bauteil ein temperaturbe ständiges Isoliermaterial wie beispielsweise Plexiglas oder Keramik zu verwenden. Die radiale Fixierung dieser beiden Teile erfolgt dabei einerseits durch die Wandung der Kappe und andererseits durch die Innenwand des ringförmigen Elek trodenanschlusses. - Sofern der Überspannungsableiter zu sätzlich ein vent-safe-Verhalten aufweisen soll, wird als zylindrisches Bauteil ein Metalloxid-Varistor verwendet, dessen Ansprechspannung größer als die Ansprechspannung des Überspannungsableiters ist, wobei die Stirnseiten des Metalloxid-Varistors metallisiert sind und die übrige Oberfläche mit einer feuchtigkeitsabweisenden Substanz versiegelt ist. Je nach Formgebung der Kappe kann auf die Mantelfläche des Metalloxid-Varistors zusätzlich eine iso lierende Zwischenschicht aufgebracht sein. Die Verwendung eines derartigen zylindrischen Bauteiles gewährleistet, daß das vent-safe-Verhalten unabhängig von der Luftfeuch tigkeit ist, ohne hierfür eine spezielle, fertigungstech nisch aufwendige Kapselung der vent-safe-Baugruppe vor nehmen zu müssen. - Metalloxid-Varistoren sind an sich handelsübliche Bauelemente (US-PS 3,905,006; US-PS 4,317,101).With such a gas discharge overvoltage arrester is a relatively large con in the event of a short circuit tact area available on the one hand by the flange like edge of the cap on the spring clip and on the other hand by the annular part of the terminal of the end electrode ge is forming. If the surge arrester is only a it should appear to be fail-safe behavior the disc-shaped melting pill between the end electrode and to arrange the cylindrical component and for the tem temperature-resistant, cylindrical component a temperature permanent insulating material such as plexiglass or To use ceramics. The radial fixation of these two Parts occur on the one hand through the wall of the cap and on the other hand through the inner wall of the ring-shaped elec electrode connection. - If the surge arrester is too A vent-safe behavior is also considered as cylindrical component uses a metal oxide varistor whose response voltage is greater than the response voltage of the surge arrester, the end faces of the Metal oxide varistors are metallized and the rest Surface with a moisture-repellent substance is sealed. Depending on the shape of the cap, the The outer surface of the metal oxide varistor also has an iso be applied intermediate layer. The usage of such a cylindrical component, that the vent-safe behavior regardless of the humidity is without a special manufacturing tech nically complex encapsulation of the vent-safe module to have to take. - Metal oxide varistors are in themselves commercially available components (US Pat. No. 3,905,006; US Pat. No. 4,317,101).

Drei Ausführungsbeispiele des neuen Gasentladungs-Über spannungsableiters sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.Three embodiments of the new gas discharge surge arrester are shown in FIGS. 1 to 3.

Gemäß der Seitenansicht in Fig. 1 und der Stirnansicht in Fig. 2 besteht der Überspannungsableiter aus der ringförmi gen Mittelelektrode 1, den beiden Endelektroden 2 und 3 so wie den dazwischen angeordneten isolierenden Hohlzylindern 4 und 5. Die Mittelelektrode 1 ist mit einem radial ver laufenden Anschlußdraht 8 versehen; ebenso sind die End elektroden 2 und 3 mit radial verlaufenden Anschlußdrähten 6 und 7 versehen. Diese sind jedoch am elektrodenseitigen Ende zu einem offenen Ring 61 bzw. 71 geformt, wobei dieser Ring auf die Stirnseite der jeweiligen Endelektrode durch Löten oder Schweißen stoffschlüssig aufgesetzt ist. - Anstelle eines Drahtes, der an einem Ende zu einem Ring geformt ist, kann auch ein entsprechendes Stanzteil ver wendet werden.According to the side view in FIG. 1 and the end view in FIG. 2, the surge arrester consists of the ring-shaped central electrode 1 , the two end electrodes 2 and 3 and the insulating hollow cylinders 4 and 5 arranged between them. The center electrode 1 is provided with a radially running connecting wire 8 ; likewise the end electrodes 2 and 3 are provided with radially extending connecting wires 6 and 7 . However, these are shaped at the electrode-side end to form an open ring 61 or 71 , this ring being cohesively placed on the end face of the respective end electrode by soldering or welding. - Instead of a wire that is formed into a ring at one end, a corresponding stamped part can also be used ver.

An dem Überspannungsableiter ist ein zweiarmiger Federbügel 10 befestigt. Hierzu sitzt eine mittig angeordnete Klammer 11 auf der Mittelelektrode 1 formschlüssig auf. Die Enden der beiden Arme 12 und 13 liegen in Achsrichtung des Über spannungsableiters stirnseitig an den Endelektroden 2 und 3 an, wobei hierzu folgende spezielle Ausgestaltung vorge sehen ist: An den Enden der Arme 12 und 13 ist jeweils eine hohlzylindrische oder auch eine leicht konisch geöff nete Kappe 14 bzw. 15 angeordnet, die mit einem flansch artigen Rand 16 bzw. 17 versehen ist. Der mittlere Durch messer dieses flanschartigen Randes entspricht dem mittle ren Durchmesser des Ringes 61 bzw. 71, zu dem das eine Ende des Anschlußdrahtes 6 bzw. 7 gebogen ist.A two-armed spring clip 10 is attached to the surge arrester. For this purpose, a clamp 11 arranged in the middle sits in a form-fitting manner on the center electrode 1 . The ends of the two arms 12 and 13 are in the axial direction of the overvoltage arrester at the end electrodes 2 and 3 , the following special configuration being provided for this purpose: At the ends of the arms 12 and 13 there is a hollow cylindrical or a slightly conical opening Nete cap 14 and 15 arranged, which is provided with a flange-like edge 16 and 17 . The mean diameter of this flange-like edge corresponds to the mean diameter of the ring 61 and 71 , to which one end of the connecting wire 6 and 7 is bent.

Zwischen dem flanschartigen Rand 16 bzw. 17 und dem Draht ring 61 bzw. 71 ist ein Abstand von etwa 0,2 bis 0,3 mm eingehalten, wobei dieser Abstand durch eine ringscheiben förmige Schmelzpille 20 bzw. 22 und ein zylindrisches Bau teil 21 bzw. 23 bestimmt ist. Bei dem Bauteil 21 handelt es sich um einen zylindrischen Körper aus temperaturbestän digem Isoliermaterial, beispielsweise aus einem Glas auf Kunststoffbasis oder aus Keramik. Das Bauteil 21 kann an sich auch hohlzylindrisch oder quaderförmig ausgebildet sein, wesentlich sind seine Wärmebeständigkeit bzw. Hitze beständigkeit und seine isolierende Eigenschaft, damit im Überlastfall des Ableiters lediglich die Schmelzpille 20 in definierter Weise schmilzt und dadurch der flanscharti ge Rand 16 gegen den Anschlußring 61 gedrückt wird.Between the flange-like edge 16 and 17 and the wire ring 61 and 71 , a distance of about 0.2 to 0.3 mm is maintained, this distance by an annular disk-shaped melting pill 20 or 22 and a cylindrical construction part 21 or 23 is determined. The component 21 is a cylindrical body made of temperature-resistant insulating material, for example made of a plastic-based glass or ceramic. The component 21 may also be hollow cylindrical or cuboid, its heat resistance or heat resistance and its insulating property are essential, so that only the melting pill 20 melts in a defined manner in the event of an overload of the arrester and thereby the flange-like edge 16 against the connecting ring 61st is pressed.

Normalerweise wird der Überspannungsableiter an beiden End elektroden 2 und 3 mit einer Schmelzpille 20 und einem iso lierenden Abstandshalter 21 ausgerüstet. Sofern der Ablei ter jedoch auch ein "vent-safe-Verhalten" aufweisen soll, wird der Überspannungsableiter an beiden Endelektroden so ausgerüstet, wie es für die Endelektrode 3 dargestellt ist. In diesem Fall ist als Abstandhalter 23 ein zylin drischer Metalloxid-Varistor vorgesehen, dessen Ansprech spannung größer als die Ansprechspannung des Überspannungs ableiters ist. Als Ansprechspannung eines solchen Varistors gilt in aller Regel diejenige Spannung, bei der der Vari stor einen Strom von 1 mA führt. Die Dimensionierung des Varistors, d. h. insbesondere der Durchmesser, die Höhe sowie die Materialauswahl können in fachmännischer Weise so getroffen werden, daß die Ansprechspannung des Varistors beispielsweise um 5 bis 10% oder auch zwischen 100 und 40% über der Ansprechspannung des Überspannungsableiters liegt. Für eine einwandfreie Funktion des Metalloxid-Varistors ist es dabei erforderlich, seine Stirnseiten mit einer Me tallisierung 26 zu versehen und die übrige Oberfläche mit einer feuchtigkeitsabweisenden Substanz zu versiegeln, bei spielsweise durch Tränkung mit einem aushärtbaren Silikon öl oder durch Eintauchen in ein Silikonharz. Bei Verwen dung einer hohlzylindrischen Kappe ist es sinnvoll, auf die Mantelfläche eine isolierende Zwischenschicht aufzu bringen, um einen Kontakt zwischen der Mantelfläche und der Kappe 15 bzw. dem Anschlußring 71 zu verhindern. Eine solche isolierende Zwischenschicht kann aus einer Glas schicht, einer Kunststoffschicht in Form eines Schrumpf schlauches oder auch aus einem Gummiring bestehen. In Fig. 1 ist als isolierende Zwischenschicht ein Gummiring 24 dargestellt, der naturgemäß lediglich einen Teil der Mantelfläche des Metalloxid-Varistors 23 einschließt. - Bei Verwendung einer leicht konisch geöffneten Kappe kann auf die isolierende Zwischenschicht verzichtet werden, weil der Varistor dann nur mit seiner einen Stirnkante im Bereich des kleinsten Innendurchmessers der Kappe an der Wandung der Kappe anliegt.Normally, the surge arrester is equipped at both end electrodes 2 and 3 with a melting pill 20 and an insulating spacer 21 . If the Ablei ter but should also have a "vent-safe behavior", the surge arrester is equipped on both end electrodes as shown for the end electrode 3 . In this case, a cylin drical metal oxide varistor is provided as a spacer 23 , the response voltage is greater than the response voltage of the surge arrester. The response voltage of such a varistor is usually the voltage at which the vari stor carries a current of 1 mA. The dimensioning of the varistor, ie in particular the diameter, the height and the choice of material can be made in a professional manner so that the response voltage of the varistor is, for example, 5 to 10% or between 100 and 40% above the response voltage of the surge arrester. For proper functioning of the metal oxide varistor, it is necessary to provide its end faces with a tallization 26 and to seal the rest of the surface with a moisture-repellent substance, for example by impregnation with a hardenable silicone oil or by immersion in a silicone resin. When using a hollow cylindrical cap, it makes sense to bring up an insulating intermediate layer on the outer surface to prevent contact between the outer surface and the cap 15 or the connecting ring 71 . Such an insulating intermediate layer can consist of a glass layer, a plastic layer in the form of a shrink tube or a rubber ring. In Fig. 1, a rubber ring 24 is shown as an insulating intermediate layer, which naturally includes only part of the outer surface of the metal oxide varistor 23 . - When using a slightly conically opened cap, there is no need for the insulating intermediate layer, because the varistor then only bears against the wall of the cap with its one end edge in the region of the smallest inside diameter of the cap.

Die Seitenansicht gemäß Fig. 2 läßt insbesondere die ring förmige Ausgestaltung des Anschlußdrahtes 6 zu einem offe nen Ring 61 sowie die Ausgestaltung der Klammer 11 erkennen.The side view according to FIG. 2 shows in particular the ring-shaped configuration of the connecting wire 6 to an open ring 61 and the configuration of the bracket 11 .

Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 ist die Schmelzpille 22 zwischen dem Metalloxid-Varistor 23 und der zylindrischen Kappe 15 angeordnet. Sie kann alternativ auch zwischen dem Varistor 23 und der Endelektrode 3 angeordnet sein, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Weiterhin zeigt diese Figur eine Glasschicht 25 auf der Mantelfläche des Varistors 23, mit deren Hilfe einerseits die Mantelfläche des Varistors 23 gegen den zylindrischen Teil der Kappe 15 und gegen den Drahtring 71 isoliert ist und andererseits der Varistor feuchtigkeitsdicht versiegelt ist.In the illustration according to FIG. 1, the melting pill 22 is arranged between the metal oxide varistor 23 and the cylindrical cap 15 . Alternatively, it can also be arranged between the varistor 23 and the end electrode 3 , as shown in FIG. 3. Furthermore, this figure shows a glass layer 25 on the outer surface of the varistor 23 , with the aid of which the outer surface of the varistor 23 is insulated against the cylindrical part of the cap 15 and against the wire ring 71 and the varistor is sealed moisture-tight.

Claims

1.Gas discharge surge arrester with a ring-shaped central electrode arranged between two hollow cylindrical insulating bodies and two end electrodes arranged at the ends of the insulating bodies and with a two-armed spring clip fixed to the central electrode, in which the ends of the arms abut the end electrodes at the end electrodes with the interposition of a spacer, the center electrode and the end electrodes being provided with radially led out connections,
characterized,
that the connection of each end electrode ( 2 , 3 ) at the ableiterseiti gene end has the shape of a ring ( 61 , 71 ) which is attached to the end of the end electrode,
that the end of each arm ( 12 ) of the spring clip ( 10 ) carries a cap ( 14 , 15 ), the cap being provided with a flange-like edge ( 16 , 17 ), the diameter of which corresponds to the diameter of the annular connection,
and that the spacer between each end electrode and the cap consists of a disk-shaped melting pill ( 20 , 22 ) and a cylindrical component ( 21 , 23 ) with insulating properties,
wherein the outside diameter of the melting pill ( 20 , 22 ) and that of the cylindrical component ( 21 , 23 ) are smaller than the inside diameter of the cap ( 14 , 15 ).

2. Surge arrester according to claim 1, characterized in that the cylindrical member (21) consists of a permanent temperaturbe insulating material and that the melting pill (20) is arranged between the terminal electrode (20) and the cylindrical member (21).

3. Surge arrester according to claim 1, characterized in that the cylindrical component ( 23 ) is formed by a metal oxide varistor, the response voltage is greater than the response voltage of the surge arrester, the end faces of the metal oxide varistor metallized ( 26 ) and the rest of the surface is sealed with a moisture-repellent substance.

4. Surge arrester according to claim 3, characterized in that an insulating intermediate layer ( 24 , 25 ) is applied to the outer surface of the varistor ( 23 ).