DE10058908C1 - Anordnung zum Abbau von Überspannungen mit mehreren Varistoren - Google Patents

Abstract

Mehrere Varistoren (7, 8, 9, 10) werden elektrisch parallel geschaltet, um einen abzuleitenden Strom auf mehrere Varistoren (7, 8, 9, 10) zu verteilen. Auf Grund von Fertigungstoleranzen weichen die UI-Kennlinien der einzelnen Varistoren (7, 8, 9, 10) voneinander ab. Dadurch teilt sich der abzuleitende Strom auf die einzelnen Varistoren (7, 8, 9, 10) ungleichmäßig auf und belastet die einzelnen Varistoren (7, 8, 9, 10) unterschiedlich stark bis hin zu einer Überlastung einzelner Varistoren (7, 8, 9, 10). Um die Verteilung des Ableitstromes auf die einzelnen Varistoren (7, 8, 9, 10) zu steuern, ist zumindest zu einem der Varistoren (7, 8, 9, 10) ein Kaltleiterelement (11, 12, 13, 14) elektrisch in Serie geschaltet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Abbau von Überspannungen mit mehreren Varistoren, welche zur gemeinsa­ men Ableitung eines Ableitstromes elektrisch parallel ge­ schaltet sind.

Aus der Offenlegungsschrift DE 41 42 523 A1 ist es bekannt, einen im normalen Betriebsverlauf stromdurchflossenen PTC- Widerstand mit einem Varistor zu kombinieren. Der Varistor ist dabei elektrisch parallel zu dem PTC-Widerstand geschal­ tet. Im Fall eines Überstromes erhöht der PTC-Widerstand sei­ nen elektrischen Widerstand um viele Größenordnungen, so dass der Überstrom schlagartig unterbrochen wird. Infolgedessen entsteht an dem PTC-Widerstand ein Spannungsabfall, welcher aufgrund der Parallelschaltung auch an dem Varistor anliegt. Übersteigt dieser Spannungsabfall dessen Durchbruchspannung, so wird der Überstrom parallel durch den Varistor abgeleitet.

Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift DE 196 12 841 A1 ein strombegrenzender Widerstand mit PTC-Verhalten mit dazu elektrisch parallel geschaltetem Varistor bekannt. Dort ist der strombegrenzende Widerstand in einem Lastkreis eingebaut und erhöht seinen elektrischen Widerstand bei einem unzulässig hohen Überstrom. Mittels des parallel zu dem strombegrenzenden Widerstand angeordneten Varistors kann eine über dem Widerstand auftretende Überspannung mittels eines Ableitstromes abgebaut werden.

Außerdem ist eine eingangs beschriebene Anordnung ist beispielsweise aus dem Aufsatz "Zu Hause bei -50°C°, Renz, Hinrichsen, EV Report 1/95, Siemens AG, Seiten 10 bis 13 bekannt. In dem Aufsatz ist eine Serienkompensationsanlage mit einer Kondensatorbank zur Kompensation von induktiven Impedanzen einer Übertragungsleitung beschrieben. Um die bei einem Leitungsfehler an der Kondensatorbank abfallende Span­ nung zu begrenzen, sind parallel zu der Kondensatorbank mehrere Überspannungsableiter geschaltet. Diese Überspan­ nungsableiter sind Varistoren, deren Ableitstrombahn im Wesentlichen aus Metalloxid besteht. Die Parallelschaltung mehrerer Varistoren ist notwendig, um die zu beherrschenden hohen Ableitströme ohne Überlastung der einzelnen Varistoren abzuleiten. Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Ableitstromes auf die einzelnen Varistoren zu erreichen, ist es notwendig, Varistoren mit annähernd identischen elektri­ schen Eigenschaften zu verwenden. Dazu ist es erforderlich, durch aufwendige Messungen der elektrischen Eigenschaften der Varistoren diese zu kategorisieren und entsprechend aufeinan­ der abgestimmte Varistoren auszuwählen. Diese Methode stellt jedoch lediglich in einem einzigen Arbeitspunkt der nicht li­ nearen UI-Kennlinien der Varistoren eine annähernde Gleich­ heit der Strom- bzw. Leistungsaufteilung sicher.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Abbau von Überspannungen mit mehreren Va­ ristoren so auszubilden, dass in einem breiten Arbeitsbereich eine Überlastung einzelner Varistoren vermieden wird.

Die Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest zu einem der Varistoren ein die Verteilung des Ableitstromes auf die einzelnen Varistoren steuerndes Kaltleiterelement elektrisch in Serie geschaltet ist.

Bei einer derartigen Anordnung ist der Kaltwiderstand des Kaltleiterelements so gewählt, dass die UI-Kennlinie des Va­ ristors innerhalb seines Arbeitsbereiches nur geringfügig be­ einflusst ist. Der Heißwiderstand des Kaltleiterelementes ist dagegen so abgestimmt, dass mit dem Erreichen einer kriti­ schen, den Varistor gefährdenden Temperatur an dem Kaltlei­ terelement ein derartig hoher Spannungsfall entsteht, dass der in Serie zu dem Kaltleiterelement geschaltete Varistor wirksam von dieser Spannung entlastet wird und aufgrund der nichtlinearen UI-Kennlinie die Strom- und Leistungsaufnahme in diesem Varistor stark zurückgeht. Gleichzeitig übernehmen die parallel geschalteten Varistoren den Anteil des Stromes, um den sich der Strom durch den betroffenen Varistor verrin­ gert. In einem einfachen Fall können beispielsweise zwei Va­ ristoren parallel geschaltet sein, wobei zu einem der Vari­ storen ein Kaltleiterelement elektrisch in Serie geschaltet ist. Der mit dem Kaltleiterelement versehene Varistor ist da­ bei der leistungsschwächere der beiden parallel geschalteten Varistoren. Bei einer ansteigenden Belastung des Varistors steuert das Kaltleiterelement in Abhängigkeit der Varistortemperatur die Ableitstromverteilung so, dass der leistungs­ stärkere Varistor einen vergrößerten Ableitstromanteil trägt.

Als günstige Variante hat sich erwiesen, bei der Parallel­ schaltung mehrerer Varistoren zu jedem der Varistoren ein Kaltleiterelement in Serie zu schalten. Dadurch ist jeder einzelne der Varistoren vor einer Überlastung geschützt und der Ableitstrom kann so sehr gleichmäßig auf die einzelnen Varistoren aufgeteilt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Varistor aus mehreren geschichteten Blöcken ge­ bildet ist und zumindest einer dieser Blöcke ein Kaltleiter­ element ist.

Ist der Varistor aus mehreren geschichteten Blöcken gebildet, so ist die Serienschaltung des Varistors mit einem Kaltlei­ terelement in konstruktiv sehr einfacher Weise möglich. Dabei wird das Kaltleiterelement als diskretes Element ausgeführt und zwischen den geschichteten Blöcken des Varistors angeord­ net. Bei dieser Lösung ist es möglich, zur Erzielung der not­ wendigen elektrischen Eigenschaften des Kaltleiterelementes mehrere Blöcke des Kaltleiterelemente in den geschichteten Varistor einzuarbeiten. Dadurch ist es möglich, die elektri­ schen Eigenschaften des Kaltleiterelementes den konstruktiven Forderungen leicht anzupassen.

Außerdem kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Kalt­ leiterelement mit dem Varistor eine bauliche Einheit bildet.

Bildet das Kaltleiterelement mit dem Varistor eine bauliche Einheit, so ergeben sich günstige Eigenschaften für die Mon­ tage des Varistors. Durch die bauliche Einheit ist der Varistor mit dem Kaltleiterelement zwangsweise verbunden, so dass sich günstige Voraussetzungen für die Kontaktierung von Vari­ stor und Kaltleiterelement ergeben. Eine derartige bauliche Einheit kann beispielsweise das Aufbringen einer kaltleiten­ den Schicht auf den Varistor beispielsweise durch einen Sin­ terprozess erzielt werden. Außerdem ergibt sich durch die bauliche Einheit eine große Anzahl von möglichen Formen der Kombination von Kaltleiterelement und Varistor.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend näher be­ schrieben. Dabei zeigt die

Fig. 1 schematisch eine Kondensatorbank sowie dazu parallel geschaltete Varistoren eines Serienkompensators,

Fig. 2 einen schematischen Aufbau eines Varistors mit Kalt­ leiterelementen und

Fig. 3 einen weitereren Aufbau eines Varistors mit Kaltlei­ terelementen.

Die Fig. 1 zeigt eine Kondensatorbank 1 bestehend aus mehre­ ren parallel geschalteten Kondensatoren 2, 3, 4, 5 sowie eine parallel zu der Kondensatorbank 1 geschaltete Ableiterbank 6. Sowohl die Kondensatorbank 1 als auch die Ableiterbank 6 sind Teil eines Serienkompensators, welcher im Verlauf einer Über­ tragungsleitung zur Kompensation von induktiven Impedanzen angeordnet ist. Als solches ist der Serienkompensator von dem in der Übertragungsleitung fließenden Strom I durchflossen. Bei einer dreiphasigen Übertragungsleitung ist in jeder der Phasen eine derartige Kompensationsanlage vorgesehen.

Die Ableiterbank 6 besteht aus mehreren parallel geschalteten Varistoren 7, 8, 9, 10. Derartige Varistoren 7, 8, 9, 10 wer­ den auch als Ableiter bezeichnet. In jedem der Parallelstrompfade der Ableiterbank 6 ist ein Kaltleiterelement 11, 12, 13, 14 in Serie zu jedem der Varistoren 7, 8, 9, 10 geschal­ tet.

Im ungestörten Betrieb ist die Kondensatorbank 6 von dem Be­ triebsstrom I der Übertragungsleitung durchflossen. Die Kon­ densatorbank 1 kompensiert die induktive Blindleistung der Übertragungsleitungen zu einem Teil. Der Spannungsfall über der Kondensatorbank 1 ist dabei nur so groß, dass die Vari­ storen 7, 8, 9, 10 eine sehr hohe Impedanz aufweisen und le­ diglich ein geringer Leckstrom durch sie hindurchfließt.

Bei dem Auftreten von Leitungskurzschlüssen muss die Kurz­ schlussenergie von der Kondensatorbank 1 ferngehalten werden, um diese vor einer Beschädigung zu schützen. Bei dem Fließen eines Kurzschlussstromes in der Übertragungsleitung entsteht an der Kondensatorbank 1 ein derartig hoher Spannungsfall, dass die Impedanz der Varistoren 7, 8, 9, 10 entsprechend ih­ rer UI-Kennlinie stark sinkt und der größte Teil des Kurz­ schlussstromes durch die Parallelstrompfade der Ableiterbank 6 fließt. Auf Grund von Fertigungstoleranzen der Varistoren 7, 8, 9, 10 variieren die UI-Kennlinien der einzelnen Vari­ storen 7, 8, 9, 10 untereinander, so dass die Impedanzen der einzelnen Varistoren 7, 8, 9, 10 der Ableiterbank 6 unter­ schiedlich groß sind. Das führt dazu, dass der Varistor mit der geringsten Impedanz den größten Anteil am Ableitstrom trägt und der Varistor mit der größten Impedanz den gering­ sten Anteil am Ableitstrom führt. Zum Beginn des Ableitvor­ ganges weisen sowohl die Varistoren 7, 8, 9, 10 als auch die Kaltleiterelemente 11, 12, 13, 14 eine annähernd gleiche Tem­ peratur auf. Mit dem Führen des Ableitstromes kommt es zu ei­ ner Erwärmung sowohl der Varistoren 7, 8, 9, 10 als auch der Kaltleiterelemente 11, 12, 13, 14. Auf Grund der Abweichungen der Impedanzen der Varistoren 7, 8, 9, 10 können dabei ein­ zelne Varistoren 7, 8, 9, 10 bereits an ihrer Leistungsgrenze arbeiten. Durch den an seiner Leistungsgrenze arbeitenden Va­ ristor 7, 8, 9, 10 und durch den Leistungsumsatz in dem Kalt­ leiterelement selbst, erwärmt sich das Kaltleiterelement da­ bei so stark, dass sich dessen Impedanz so erhöht, dass an dem Kaltleiterelement 11, 12, 13, 14 ein so hoher Spannungs­ fall entsteht, dass der Varistor 7, 8, 9, 10 wirksam von Spannung entlastet wird und auf Grund seiner nicht linearen Charakteristik die Strom- und damit die Leistungsaufnahme des betroffenen Varistors 7, 8, 9, 10 zurückgeht. Der Ableitstrom verteilt sich nunmehr entsprechend der sich einstellenden Im­ pedanzen auf die einzelnen Parallelstrompfade der Ableiter­ bank 6.

Eine derartige Steuerung erfolgt dabei in jedem der Parallel­ strompfade der Ableiterbank 6, so dass eine Überlastung jedes einzelnen Varistors 7, 8, 9, 10 vermieden wird. Bei einer entsprechenden Anzahl von Varistoren 7, 8, 9, 10 wird die Verteilung des Kurzschlussstromes auf die einzelnen Varisto­ ren 7, 8, 9, 10 der Ableiterbank 6 vergleichmäßigt. Nach dem Ausschalten des Kurzschlusses kühlen die Varistoren 7, 8, 9, 10 und die Kaltleiterelemente 11, 12, 13, 14 ab und sind für weitere Ableitvorgänge bereit.

Um die Wirksamkeit der Verteilung des abzuleitenden Stromes auf die einzelnen Varistoren 7, 8, 9, 10 genau abzubilden, ist es erwünscht, dass die Kaltleiterelemente 11, 12, 13, 14 die Temperatur des zugehörigen Varistors 7, 8, 9, 10 genau abbilden. Dazu sind in den Fig. 2 und 3 zwei Ausführungs­ varianten zur Kombination von Kaltleiterelement und Varistor im Schnitt dargestellt. Der Varistor weist mehrere Metall­ oxidblöcke 15, 16, 17 auf. Diese Metalloxidblöcke 15, 16, 17 sind wesentlicher Bestandteil der Ableitstrombahn eines Vari­ stors. Das Kaltleiterelement ist ebenfalls als diskreter Block ausgebildet. Um eine genaue Abbildung der Temperatur der Metalloxidblöcke zu erzielen, ist in diesem Ausführungs­ beispiel das Kaltleiterelement in zwei Blöcke aufgeteilt. Die Kaltleiterblöcke 18, 19 sind jeweils zwischen zwei Metall­ oxidblöcken 15, 16, 17 angeordnet.

In der Fig. 3 ist auf die einzelnen Metalloxidblöcke 20, 21, 22 jeweils eine kaltleitende Schicht 23, 24, 25 aufgebracht. Die kaltleitende Schicht 23, 24, 25 und der jeweilige Metall­ oxidblock 20, 21, 22 sind elektrisch leitend miteinander ver­ bunden. Eine derartige Verbindung kann beispielsweise durch einen Sinter-, einen Klebevorgang oder eine andere Fügetech­ nik erzeugt werden. Die Metalloxidblöcke 20, 21, 22 mit der Kaltleiterschicht 23, 24, 25 werden wiederum aufeinanderge­ stapelt und bilden so einen wesentlichen Teil der Ableit­ strombahn eines Varistors.

Claims (3)

1. Anordnung zum Abbau von Überspannungen mit mehreren Vari­ storen (7, 8, 9, 10), welche zur gemeinsamen Ableitung eines Ableitstromes elektrisch parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zu einem der Varistoren (7, 8, 9, 10) ein die Verteilung des Ableitstromes auf die einzelnen Varistoren (7, 8, 9, 10) steuerndes Kaltleiterelement (11, 12, 13, 14) elek­ trisch in Serie geschaltet ist.

2. Anordnung zur Ableitung von Überspannungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (7, 8, 9, 10) aus mehreren geschichteten Blöcken gebildet ist und zumindest einer dieser Blöcke ein Kaltleiterelement (18, 19) ist.

3. Anordnung zur Ableitung von Überspannungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltleiterelement (23, 24, 25) mit dem Varistor eine bauliche Einheit bildet.