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. Überspannungsableiter Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf überspannungsableiter und im besonderen auf eine neue Art von Ableitern, bei denen Halbleiter-Gleichrichter verwendet werden.
Überspannungsableiter werden verwendet zum Schutz elektrischer Anlageteile gegen tTberspannun- gen; sie sind im allgemeinen zwischen der Leitung oder einer Klemme des zu schützenden Gerätes und Erde eingeschaltet. Der Ableiter muss unter normalen Bedingungen im wesentlichen ein Nichtleiter sein; tritt jedoch eine Spannung oberhalb eines vorbestimmten Wertes auf, so muss er praktisch sofort leitend werden, um die Überspannung ableiten zu können.
Die Spannung am Ableiter selbst darf während der Ableitung nicht so weit steigen, dass sie das zu schützende Gerät gefährdet; wenn der Überspannungsstoss vorüber und die Spannung ganz oder nahezu auf ihren normalen Wert gefallen ist, muss der Ableiter wieder nichtleitend werden und den Strom unterbrechen, welcher infolge der normalen Leitungsspannung durch den Ableiter zu fliessen bestrebt ist.
Bei den bekannten Ableitern werden diese Forderungen erfüllt durch die Verwendung eines nichtlinearen Widerstandes, der in Reihe mit einer Funkenstrecke geschaltet ist. Die Funkenstrecke isoliert normalerweise den Widerstand von der Leitung; bei der vorbestimmten Spannung schlägt sie jedoch über und erlaubt dem Stossstrom, durch den Widerstand zu fliessen, welcher bei hohen Strömen einen niedrigen Widerstandsbetrag und demnach eine niedrige Ab- leitspannung aufweist. Wenn der Stoss abgeleitet ist, vergrössert der Widerstand seinen Widerstandsbetrag und verringert den Strom auf einen kleinen Wert, welcher ohne weiteres durch die Funkenstrecke unterbrochen wird.
Die gewöhnlich benutzten, nichtlinearen Widerstände bestehen aus körnigem Sifzium- karbid mit einem Bindemittel aus Natriumsilikat oder einem andern geeigneten Material oft auch mit andern Bestandteilen, wie z. B. Ton. Die heterogene Zusammensetzung dieser Mischung und die Schwierigkeit, eine Gleichförmigkeit der verschiedenen Bestandteile, besonders des Siliziumkarbids, zu erreichen, haben die Kontrolle der Eigenschaften dieser Widerstände bei der Herstellung sehr erschwert; die Streuung der Widerstandswerte ist bei den bekannten Ableitern ein ernstes Problem.
Der Überspannungsableiter gemäss der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Reihenschaltung aus einer Gruppe von Halbleiter- Gleichrichtern gleicher Flussrichtung und mindestens einer Funkenstrecke zu einer gleichartigen Reihenschaltung mit entgegengesetzter Flussrichtung der Gleichrichter parallel geschaltet ist, wobei jede Gleichrichtergruppe mindestens einen Gleichrichter enthält.
Die Verwendung von Halbleiter-Gleichrich- tern ermöglicht es, Überspannungen mit niedriger Ab- leitspannung abzuleiten und den Strom beim ersten Nulldurchgang nach der Entladung praktisch vollständig zu unterbrechen. Ferner lassen sich gleichförmige und genau kontrollierbare Eigenschaften des Überspannungsableiters ohne weiteres erreichen.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen dargelegt.
Fig. 1 ist eine schematische Skizze für beide Beispiele.
Die Fig.2 und 3 zeigen die Ausführungsbeispiele der Erfindung in etwas vereinfachter Darstellung; teilweise im Schnitt.
Die Ableiter sind in Fig. 1 schematisch dargestellt. Jeder besteht aus zwei Gruppen von Schaltelementen, die parallel zueinander geschaltet sind. Jede dieser Gruppen besteht aus einer Mehrzahl von Gleichrichtern 1, die in Reihe geschaltet sind, und
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einer Funkenstreckenanordnung 2, die in Reihe mit den Gleichrichterelementen geschaltet ist. Die Gleichrichter sind vorzugsweise Halbleiter-Gleichrichter mit p-n-Übergang, so z. B.
Silizium- oder Germanium- Gleichrichter. Derartige Gleichrichter können in der Flussrichtung bei relativ kleinem Spannungsabfall grosse Ströme führen; in Sperrichtung führen sie auch bei verhältnismässig hohen Spannungen nur äusserst niedrige Sperrströme.
Die Gleichrichter 1 jeder der beiden Gruppen sind in Reihe mit einer Funkenstrecke 2 geschaltet; die beiden Gruppen sind parallel geschaltet, wobei die Flussrichtung der Gleichrichter der einen Gruppe zu der der Gleichrichter der andern Gruppe entgegengesetzt ist. Die Funkenstrecken 2 können, wie es bei 3 dargestellt ist, miteinander und mit einer Leitung oder einem andern zu schützenden Gerät 4 verbunden sein; die entgegengesetzten Enden der beiden Reihengruppen von Gleichrichtern sind bei 5 miteinander verbunden und an Erde angeschlossen. In den Reihenschaltungen kann jede geeignete Anzahl von Gleichrichtern entsprechend dem gewünschten Spannungswert verwendet sein; jede der parallel geschalteten Gruppen besteht daher aus einem oder mehreren Gleichrichtern in Reihe mit einer Funkenstrecke.
Die Anordnung wird bei ihrer Verwendung gewöhnlich zwischen Leiter und Erde geschaltet, wie es dargestellt ist. Unter normalen Bedingungen isolieren die Funkenstrecken 2 die Gleichrichter 1 von der Leitung, so dass die Anordnung nichtleitend ist. Falls auf der Leitung 4 eine Überspannung, z. B. infolge eines Blitzeinschlages, auftritt, die oberhalb einer vorgegebenen Grösse liegt, schlägt eine der Funkenstrek- ken 2 über und wird leitend. Es ist zu beachten, dass solche Überspannungen von beliebiger Polarität sein und daher der Flussrichtung jeder der beiden parallelen Gleichrichtergruppen entsprechen können.
Wenn die Grösse der Überspannung die Überschlagspannung der Funkenstrecken 2 übertrifft, schlägt die Funkenstrecke derjenigen Gleichrichtergruppe über, die bei der vorliegenden Polarität des Stosses in Fluss- richtung liegt; über die Gleichrichter dieser Gruppe wird dann der Spannungsstoss zur Erde abgeleitet. Die andere Gleichrichte bgruppe ist bei der gegebenen Polarität des Spannungsstosses in Sperrichtung beansprucht, so dass sie einen sehr hohen Widerstand darstellt und die zugeordnete Funkenstrecke 2 daher nicht überschlägt.
Bei der Ableitung der Überspannung ist daher die am Ableiter auftretende Spannung nur gleich der Summe der verhältnismässig niedrigen Spannungsabfälle in Flussrichtung der Gleichrichter 1 einer Gruppe.
Nachdem die Überspannung abgeleitet ist, fliesst bis zum nächsten Nulldurchgang der Leitungsspannung weiterhin ein Strom durch die Gleichrichter 1 zur Erde. Nach dem Nulldurchgang dieses Stromes ist diejenige Gleichrichtergruppe, in der bisher ein Strom geflossen ist, in Sperrichtung beansprucht, so dass nur ein sehr kleiner Sperrstrom durch die Gleichrichter fliessen kann. Dieser Strom ist so klein, dass er in der Funkenstrecke 2 keinen stabilen Lichtbogen aufrechterhalten kann; der Strom wird daher durch die Funkenstrecke ohne weiteres unterbrochen. Die andere parallele Gruppe von Gleichrichtern liegt nach dem Nulldurchgang des Stromes in Flussrichtung, aber da die Funkenstrecke dieser Gruppe keinen Lichtbogen gebildet hat, fliesst auch hier kein Strom.
Der Ableiter wird auf diese Weise bei dem ersten Stromnulldurchgang nach der Ableitung zuverlässig wieder ein Nichtleiter.
Fig. 2 zeigt etwas vereinfacht eine Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind die beiden Gleichrichtergruppen in zylindrischen Gehäusen 10 aus Porzellan oder einem andern geeigneten wetterfesten Isoliermaterial angeordnet. Jedes der Gehäuse enthält einen Stapel von Halbleiter- Gleichrichtern 11, die innerhalb des Gehäuses in Reihe angeordnet sind, wobei die Gleichrichterstapel der beiden Gehäuse entgegengesetzte Flussrichtungen haben, wie es oben in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde. Die Gehäuse 10 sind an der Ober- und Unterseite durch Metallkappen 12 und 13 abgeschlossen, welche mit dem Gehäuse beispielsweise durch Zementieren verbunden sind.
Die beiden Kappen 13 der beiden Gehäuse können mit einer metallischen Montageplatte 14 verbunden sein, welche die beiden Gleichrichtergruppen elektrisch verbindet und mit einer Klemme 15 für den Erdleiter versehen sein kann. Zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes der Gleichrichter 11 untereinander und mit den End- kappen sind vorzugsweise federnde Mittel vorgesehen, die vereinfacht bei 16 dargestellt sind. An der obern Kappe 12 jedes Gehäuses ist eine geeignete Elektrode 17 angebracht. Zwischen den beiden Elektroden 17 ist eine gemeinsame Elektrode 18 angebracht, die mit den Elektroden 17 getrennte Funkenstrecken bildet; sie ist mit einer Klemme 19 zur Verbindung mit der Leitung versehen.
Die gemeinsame Elektrode 18 kann in beliebiger Weise gehalten werden; bei dem Ausführungsbeispiel ist sie an einem Isolator 20 angebracht, der an einem Gehäuse 10 befestigt ist. Der hier geschilderte Ableiter ist elektrisch identisch mit dem Schema der Fig. 1; seine Wirkungsweise entspricht der oben beschriebenen.
Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches dort verwendet werden kann, wo offene Funkenstrecken unerwünscht sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Gleichrichter 11 ebenfalls in Porzellangehäusen 10 angeordnet; Funkenstreckenanordnungen 21, die vorzugsweise aus einer Mehrzahl von Einzelstrecken 22 beliebiger Konstruktion bestehen, liegen innerhalb der Gehäuse 10 in Reihe mit den Gleichrichtern 11. Die Gehäuse 10 sind in derselben Weise montiert, wie es oben in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde. An den obern Kappen 12 ist eine leitfähige Platte 23 angebracht, die sie elektrisch miteinander verbindet; eine Klemme 24 dient zur Verbindung der Platte 23 mit der Leitung.
Die Wirkungsweise dieses Ableiters ist ebenfalls die gleiche, wie sie oben beschrieben wurde.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass bei den beschriebenen überspannungsableitern die Verwendung der üblichen nichtlinearen Widerstände völlig entfällt und daher die Schwierigkeiten mangelnder Gleichförmigkeit und veränderlicher Eigenschaften vermieden sind, die bei den bekannten Ableitern ernste Probleme waren. Die erläuterten Ableiter verwenden Gleichrichter auf Halbleiterbasis mit sehr gleichförmigen Eigenschaften, welche bei der Herstellung leicht nachzuprüfen sind; das Verhalten des Ableiters im Betrieb ist auf diese Weise genau vorherbestimmbar.
Die Eigenschaften von Halbleiter- Gleichrichtern sind für überspannungsableiter sehr günstig; in Flussrichtung können sie bei niedrigem Spannungsabfall starke Ströme führen, während in Sperrichtung der Strom sehr niedrig ist, so dass der Ableitstrom leicht unterbrochen werden kann.