DE2361211A1

DE2361211A1 - Widerstandskoerper mit spannungsabhaengiger kennlinie

Info

Publication number: DE2361211A1
Application number: DE2361211A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Ing Foitzik; Johann Schering
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-12-06
Filing date: 1973-12-06
Publication date: 1975-06-19
Also published as: JPS50106197A

Description

Widerstandskörper mit spannungsabhängiger Kennlinie

In elektrischen Energie-Übertragungs- und Verteilungsanlagen verwendet man zum Schutz gegen Überspannungen, wie sie durch Blitzeinschlage und Schaltvorgänge hervorgerufen werden können, Überspannungsableiter, deren Hauptbestandteile eine Funkenstrecke und ein spannungsabhängiger Widerstand sind". Die Kennlinie des Widerstandes ist derart spannungsabhängig, daß bei einer Spannung von der Höhe der Netzspannung nur ein sehr kleiner Strom durch den Widerstand fließt, der von der Funkenstrecke leicht gelöscht werden kann. Bei einer hohen Überspannung dagegen ist der Widerstandswert erniedrigt, so daß die in der Überspannungswelle enthaltene Energie über die aus Funkenstrecken und Ableitwiderständen bestehende Reihenschaltung nach Erde abfließen kann. Die Überspannung wird bei diesem Vorgang bis auf den Wert der sog. Restspannung abgesenkt. Das Verhältnis der Restspannung zur Betriebsspannung liegt bei etwa 2 bis 3» während das Verhältnis des Ableitstromes zum Löschstrom zwischen etwa 50 bis fast 1000 liegen kann.

Für die Spannungsabhängigkeit der bekannten Widerstandskörper gilt folgende Beziehung:

io /u, T^ = K .

■ 1 . .

wobei Up die Restspannung bei dem Ableitstrom ip und u^ die Betriebsspannung bei dem zu unterbrechenden Folgestrom i,· bedeutet. Der Exponent η gibt die Stärke der Spannungsabhängigkeit des Widerstandes an. Von diesem Exponent hängt wesentlich die Güte eines Überspannungsabieiters ab hinsichtlich des Schutzvermögens gegen Überspannungen und hinsichtlich des Löschvermögens.

509825/0060 " _2-

VPA 73/8337

Die üblicherweise bei Überspannungsableitern verwendeten Widerstandskörper bestehen aus körnigem, .kristallinem Siliziumkarbid, das unter Zusatz pulverförmiger Stoffe wie Tonerde, Schlämmkreide o. ähhl. und einem Bindemittel, wie beispielsweise Wasserglas, Gießharz oder einer Porzellanmasse, gemischt und zu Widerstandskörpern geeigneter Form gepreßt oder gebrannt'wird. Die spannungsabhängige Charakteristik solcher Widerstandskörper beruht vor allem auf dem Siliziumkarbid. Es hat sich bewährt, das Siliziumkarbid mit einem geringen Zusatz von Aluminium zu dotieren. Dadurch wird zwar der Exponent η verkleinert und damit an sich die Schutzwirkung des Widerstandskörpers verringert, jedoch wird andererseits die elektrische Durchschlagfestigkeit des Widerstandskörpers bei Strombelastung, vor allem bei länger anhältenden Überspannungen, und somit das Energieaufnahmevermögen des Widerstandskörpers verbessert.

Durch die Erfindung soll ein Widerstandskörper mit spannungsabhängiger Kennlinie, der ein Karbid sowie Füll- und Bindemittel enthält, geschaffen werden, der verbesserte Werte des Energieaufnahmevermögens und der Spannungsabhängigkeit aufweist und der im wesentlichen unter Beibehaltung der für Siliziumkarbid-Widerstände bekannten Technologie preiswert herstellbar ist. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Mischung des Karbides mit dem Füll- und dem Bindemittel ein mit Metalloxiden dotiertes Zinkoxid zugesetzt wird.

Es sind zwar als Varistoren bezeichnete spannungsabhängige ■Widerstandskörper bekannt, die aus einem mit Metalloxiden dotierten Zinkoxid bestehen. Solche Widerstandskörper besitzen einen Exponenten η von etwa 20 bis 30 oder noch größer. Jedoch genügen solche Widerstandskörper nicht den Anforderungen hinsichtlich Stoß-Strombelastung und Energieaufnahmevermögen beim Einsatz in Überspannungsableitern für Mittel-, Hoch- und Höchstspannungsnetze. Durch die Erfindung wird demgegenüber ein Widerstandskörper geschaffen, dessen Exponent η gegenüber

50 9 8 25/0060 -3-

VPA 73/8337

den bekannten Widerstandskörpern aus Siliziumkarbid so weit erhöht ist, daß sich in Zusammenwirkung mit den Funkenstrecken ein günstiges Schutzverhalten ergibt und der andererseits ein hohes Energieaufnahmevermögen besitzt. Für die Zwecke der Erfindung ist ein Wert η zwischen 8 und 15 anzustreben.

Andererseits sind auch schon Widerstandskörper für Überspannungsableiter bekannt geworden (DT-PS 913 798), die außer Siliziumkarbid auch mit Phosphorsäure abgebundene Oxide zweiwertig mit Sauerstoff in Verbindung tretender Metalle, beispielsweise von Zink, enthalten. Solche Widerstandskörper enthalten daher kein dotiertes Zinkoxid als Halbleitersubstanz, sondern phosphorsaure Zinksalze als Bindemittel.

Bei der Erfindung kann mit Vorteil Siliziumkarbid verwendet werden, das in der bekannten Weise mit Aluminium dotiert ist. Darüberhinaus ist generell p-dotiertes und mit noch günstigerem Ergebnis η-dotiertes Siliziumkarbid verwendbar. In bekannter Weise ist eine p-Dotierung durch Elemente der 3. Gruppe und eine η-Dotierung durch Elemente der 5. Gruppe des periodischen Systems der Elemente erzielbar. Der Anteil des dotierten Zinkoxides kann im Bereich von 10 - 70 Gewichts-% der Menge des Siliziumkarbides liegen.

Anstelle von Siliziumkarbid kann auch ein Karbid der Elemente Bor, Wolfram, Eisen oder Titan verwendet werden, die alle ebenfalls eine nichtiineare Kennlinie besitzen.

Die Erfindung wird im folgenden teils anhand der Figuren näher erläutert, wobei auch ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung von Widerstandskörpern gemäß der Erfindung beschrieben wird.

Zur Herstellung eines Widerstandskörpers nach der Erfindung verwendet man kristallines, körniges, z. B. mit Aluminium p-dotiertes Siliziumkarbid und dotiertes Zinkoxid in Pulverform oder feiner Körnung anstelle der bisher dem Silizium-

50 9 825/0060 -^J*-

VPA 73/8337 - 4 -

karbid üblicherweise beigemischten Tonerde oder Schlämmkreide oder anstelle eines dieser Zusatzstoffe. Es kann aber auch unter Verminderung des Anteils dieser Zusatzstoffe Zinkoxid beigemischt werden."Die genannten Stoffe werden sowohl trocken als auch in gering angefeuchtetem Zustand innig gemischt, bevor sie geformt und gepreßt werden. Dem Preßvorgang kann sich eine Wärmebehandlung in einem Brennofen anschließen. Nach dem Brennen können in üblicher Weise Elektroden durch Aufdampfen, Aufspritzen oder Aufstreichen eines Metalls bzw. einer metallhaltigen Paste aufgebracht werden.

Das pulverförmige dotierte Zinkoxid gewinnt man durch Zermahlen von gepreßten bzw. gebrannten Körpern aus dotiertem Zinkoxid, die eine beliebige Gestalt aufweisen können. Diese Körper werden durch Mischung von Zinkoxid mit geeigneten Dotierungsstoffen, 2. B. Wismutoxid und/oder Antimonoxid., in einer Menge von 0,5 - 10 MoI-Jo, anschließendes Pressen unter hohem Druck und einen Brennvorgang bei z. B. 1000 C gewonnen. Geeignete Dotierungsstoffe sind neben Wismutoxid und Antimonoxid auch Kobaltoxid, Manganoxid und Chromoxid jeweils einzeln oder in Mischung in einer Menge von 0,5 - 10 Mol-%.

Die Siliziumkarbid-Kristalle besitzen die Eigenschaft einer guten Wärmeleitfähigkeit, die bei der innigen Vermischung mit dem dotierten Zinkoxid dahingehend vorteilhaft wirkt, daß eine schnelle Wärmeabfuhr aus dem hochbeanspruchten Zinkoxid erreicht wird. Daher ergibt sich eine höhere Belastbarkeit des Widerstandskörpers. Andererseits besitzt das in dem Widerstandskörper fein verteilt eingebettete dotierte Zinkoxid eine hohe .elektrische Durchschlagfestigkeit im Vergleich zu den Siliziumkarbid-Teilchen. Es zeigt sich somit, daß ein Siliziumkarbid und dotiertes Zinkoxid enthaltender Mischkörper in vorteilhafter Weise die günstigen Eigenschaften beider Materialien miteinander vereint.

In dem neuen Widerstandskörper ist eine Vielzahl von Elementarwiderständen unterschiedlicher Spannungsabhängigkeit enthalten.

509825/0060 -5-

VPA 73/8337

Nach, den bekannten Gesetzen für die Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen ist die Spannungsabhängigkeit des Mischkörpers kleiner als die des dotierten Zinkoxides, jedoch größer als die des Siliziumkarbides. Je nach dem Gehalt des Mischkörpers an beiden Substanzen liegt die Spannungsabhängigkeit näher bei dem höheren oder dem niedrigeren Wert.

Anstelle mit Siliziumkarbid kann dotiertes Zinkoxid auch mit Borkarbid vermischt und zu Widerstandskörpern verarbeitet werden. Borkarbid besitzt ebenfalls eine nichtlineare Strom-Spannungskennlinie. Durch den Zusatz von dotiertem Zinkoxid wird der Exponent wiederum vergrößert, wobei der Zinkoxidanteil bis etwa 40 % betragen kann. Auch in diesem Fall werden Widerstandskörper mit hoher Belastbarkeit und einem für die Zwecke des Überspannungsschutzes günstigen Wert η geschaffen.

Die Fig. 1 ist ein Diagramm, das zur Veranschaulichung der Eigenschaften des neuen Widerstandskörpers dient. In dem Diagramm ist die Spannung über dem Strom für drei verschiedene Widerstandskörper aufgetragen. Die Kennlinie 1 gilt für einen Widerstandskörper aus schwachdotiertem, d. h. nicht mit besonderen Zusätzen versehenem Siliziumkarbid. Die Kennlinie 2 gilt für einen Widerstandskörper aus Siliziumkarbid, das' mit Aluminium dotiert ist, während die Kennlinie 3 für einen Widerstandskörper nach der Erfindung gilt. Wie das Diagramm erkennen läßt, ist die Spannungsabhängigkeit von schwachdotiertem Siliziumkarbid (Kennlinie 1) stärker ausgeprägt als von Siliziumkarbid, das mit Aluminium dotiert ist (Kennlinie 2). Der Widerstandskörper mit der Kennlinie 1 ist jedoch nur bis zu .dem gestrichelt eingetragenen Strom i^ belastbar, da er bei höheren Strömen durchschlägt. Dagegen ähnelt der Widerstandskörper mit der Kennlinie 3 hinsichtlich der Spannungsabhängigkeit "dem schwachdotierten Widerstandskörper mit der Kennlinie 1, ist aber nicht auf die Belastbarkeit mit dem Strom i^ beschränkt.

-6-50 9825/0060 . ~

VPA 73/8337 - 6 -

Zum Aufbau eines Überspannungsableiters 4 kombiniert man in bekannter Weise Widerstandskörper 5 und Funkenstrecken 6 in einer Reihenschaltung und sieht ein Isoliergehäuse 7 für die Elemente vor, wie Fig. 2 zeigt. Da die neuen Widerstandskörper verbesserte Eigenschaften aufweisen, lassen sich Überspannungsableiter herstellen, die bei gleichen Abmessungen wie bisherige Ableiter leistungsfähiger sind. Ferner können einfachere Funkenstrecken als bisher verwendet werden, da sie infolge der besseren Eigenschaften der neuen Widerstandskörper geringer beansprucht sind.

7 Ansprüche

2 Figuren - ·

-7-50 98 25/0060

Claims

VPA 73/8337 - 7 - Patentansprüche

1.!Widerstandskörper mit spannungsabhängiger Kennlinie, der in Karbid sowie Füll- und Bindemittel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischung aus dem Karbid, dem Füll- und dem Bindemittel ein mit Metalloxiden dotiertes Zinkoxid zugesetzt ist.

2. Widerstandskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsstoffe für das Zinkoxid Wismutoxid und/oder Antimonoxid in einer Menge von Q,5 - 10 Mol-% verwendet werden.

3. Widerstandskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Mischung enthaltene Karbid p-dotiertes Siliziumkarbid ist.

4. Widerstandskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Karbid η-dotiert ist.

5. Widerstandskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeicnnet, daß der Anteil des dotierten Zinkoxids·im Bereich von 10-70 Gewichts-% der Menge des Karbids liegt.

6. Widerstandskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von Siliziumkarbid ein Karbid der Elemente Bor, Wolfram, Eisen oder Titan verwendet wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandskörpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine starke Spannungsabhängigkeit aufweisende Widerstandskörper beliebiger Gestalt aus einem mit Metalloxiden dotierten Zinkoxid zu Pulver zermahlen werden und daß dieses Pulver zusammen mit körnig-kristallinem, mit p-dotiertem Siliziumkarbid sowie mit einem Bindemittel unter hohem Druck zu Körpern geeigneter Gestalt gepreßt wird, worauf zwei einander gegenüberliegende Flächen des Widerstandskörpers mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen werden.

50 9825/0060

Leerseite