DE2458512A1 - Stossueberspannungsableiter mit verbesserter spannungsabstufungsschaltung - Google Patents

Description

Stoßüberspannungsableiter mit verbesserter Spannungsabstufungsschaltung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Stoßüberspannungsableiter und insbesondere, aber nicht ausschließlich auf solche Ableiter, die bei relativ hohen Spannungen verwendbar sind und mit einer Vielzahl von Funkenstrecken versehen sind, die elektrisch in Reihe geschaltet, sind.

Ein Stoßüberspannungsableiter für relativ hohe Wechselspannungen von 3 kV oder mehr enthält üblicherweise eine Anzahl einzelner und ähnlicher Ableitermoduln, die auf der Innenseite eines langgestreckten, hohlen Porzellangehäusezylinders elektrisch in Reihe

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gestapelt sind, der an beiden Enden durch obere bzw, untere Metallendkappen verschlossen ist. Die obere Kappe steht in Kontakt mit der Oberseite des obersten Moduls und ist mit der Netzleitung verbunden. Die untere Kappe ist mit dem Boden des unteren Moduls in Kontakt und mit'Erde verbunden.

Jeder Ableitermodul enthält eine oder mehrere Funkenstrecken, die mit einem oder mehreren einen nicht linearen Widerstand aufweisenden Strombegrenzungselementen oder Ventilblöcken in Reihe geschaltet sind. Der Funkenstrecke von jedem Modul ist üblicherweise ein Abstufungswiderstand parallel geschaltet, um unter den Moduln eine gleichförmige Spannungsverteilung aufrechtzuerhalten. Zusätzliche Komponenten können in oder unter den Moduln vorgesehen sein, um den Betrieb des Ableiters noch weiter zu verbessern.

Die einzelnen Moduln sind so ausgelegt, daß normalerweise eine "Betriebsspannung" anliegt. Jeder Modul besitzt ferner eine charakteristische 'Überschlagsspannung", die etwas über der Betriebsspannung liegt und bei der die Funkenstrecke überschlägt, um einen aktiven Betrieb des Ableiters einzuleiten. Typischerweise liegt die Überschlagsspannung in der Größenordnung des 1,7-fachen der Betriebsspannung. Die Betriebs- und Überschlagsspannung eines gesamten Ableiters ist einfach die Summe der entsprechenden Spannungen der Moduln, die in dem Ableiter in Reihe geschaltet sind. Somit ist der Ableiter so ausgelegt, daß er eine Betriebsspannung hat, die gleich der normalen Leitungsspannung gegen Erde derjenigen Leitung ist, die mit dem Ableiter verbunden werden soll.

Ein ernsthaftes Problem bei Hochspannungsableitern der oben beschriebenen Art kann auftreten, wenn die äußere Oberfläche des Porzellangehäuses verschmutzt wird mit einem elektrisch leitfähigen Film, wie beispielsweise einer Salzschicht oder feuchtem Zementstaub. Verschiedene Auswirkungen einer derartigen Verunreinigung sind beschrieben beispielsweise in den folgenden US-Patentschriften:

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2 179 297

3 467 936
3 510 726
3 683 234
2 688 715

Eine Verunreinigung des Porzellans kann bewirken, daß der Ableiter versagt, indem er bei der Betriebsspannung überschlägt anstatt bei der entsprechenden höheren Überschlagsspannung. Ein derartiger fehlerhafter Betrieb führt häufig zu einer Zerstörung des Ableiters.

Wenn die Oberfläche des Ableitergehäuses mit einer leitenden Verunreinigung bedeckt ist, wie beispielsweise Salz, Zementstaub·, Plugasche usw., und die Verunreinigung feucht ist, so daß sie Strom leiten kann und Entladungen auf Teilen der Oberfläche auslöst, nehmen die Ströme über die Kapazitäten, die durch die Verbindung der Innenteile des Ableiters mit dem Gehäuse gebildet sind, wesentlich zu. Der Grund für diese Zunahme besteht darin, daß die Spannungsverteilung auf der Porzellanoberfläche gelegentlich äußerst ungleichförmig wird durch schnelle Veränderung der ungleichförmigen Oberflächenleitfähigkeit des Schmutzfilmes aufgrund einer ungleichmäßigen Benetzung und der Auswirkungen eines Überschlages auf den feuchten Stellen. Da der Strom in einem Kondensator der Spannungsänderung proportional ist, führt eine derartige rasche Änderung der Spannungsverteilungen sporadisch zu wesentlich erhöhten kapazitiven Verlustströmen, die durch die Spannungsabstufungswiderstände fließen und insbesondere diejenigen, die der Leitungsspannung am nächsten sind. Unter starken Verschmutzungszuständen können Spitzenverlustströme von einigen 10 mA oder mehr in den Ableiter gekoppelt werden. Solche relativ großen sporadischen kapazitiven Verlustströme durch die Abstufungswiderstände können zu einem Spannungsabfall über den Abstufungswider3tänden führen, der groß genug ist, um einen falschen bzw. unechten Spannungsüberschlag über den parallel geschalteten Funkenstreckenelektroden bei der Betriebsspannung mit einem daraus folgenden fehlerhaften Betrieb des Ableiters zu bewirken. 5Q9829/0224

üs sind den Ableitern auch Kondensatoren hinzugefügt worden, um die Spannungsabstufung unter Verunreinigungszuständen zu erhalten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß solche Kondensatoren nicht völlig betriebssicher sind, was hauptsächlich an der Schwierigkeit liegt, das keramische Dielektrikum genügend stabil zu machen. Aufgrund des Ausfallrisikos des Kondensators sind derartige Kondensatoren im allgemeinen mit zusätzlichen Widerständen in Reihe geschaltet, um den Überschlagsstrom zu begrenzen. Weiterhin sollten die Kondensatoren abgestufte Widerstandswerte besitzen, was die Komplexität noch vergrößert. Eine derartige Anordnung ist relativ kostspielig, während sie nichtsdestoweniger etwas unbefriedigend als Abstufungseinrichtung bleibt, wo der Ableiter relativ langen Überspannungsstößen ausgesetzt ist, wie beispielsweise bei Schaltstößen.

Gegenwärtig bekannte Ableiter verwenden gewöhnlich Abstufungswiderstände aus einem Material mit einer nicht linearen Strom-Spannungscharakteristik, wie beispielsweise eine Siliziumkarbidverbindung, um die Auswirkungen der Verunreinigung des Gehäuses zu vermindern. Die Strom-Spannungscharakteristik eines Widerstandes ist durch die Gleichung I = küⁿ gegeben, wobei I der Strom, k eine Konstante und η der Exponent der Spannung ist. Der numerische Wert des Exponenten für derartige Abstufungswiderstände beträgt üblicherweise 4,5. Es wird deutlich, daß eine mittlere Differenz im Stromfluß durch derartige Abstufungswiderstände eine relativ kleine Spannungsänderung erzeugt. Obwohl deshalb die Ströme durch die Abstufungswiderstände etwas unterschiedlich sind aufgrund der vorstehend beschriebenen kapazitiven Ströme, ist die Spannung über den Funkenstrecken einigermaßen gleichförmig. Wenn jedoch die Oberfläche des Porzellangehäuses verschmutzt wird, können die kapazitiven Verlustströme so groß werden, daß einigen der Funkenstrecken eine ausreichende Spannung aufgedrückt wird, um einen unerwünschten Überschlag herbeizuführen, selbst wenn derartige nichtlineare Abstufungswiderstände verwendet werden.

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Aus der vorstehenden- Beschreibung könnte geschlossen werden, daß eine weitere Verminderung der Auswirkungen von Schmutzzuständen auf einfache Weise dadurch erreicht werden könnte, daß der Widerstand der Abstufungswiderstände verkleinert wird, so daß selbst unter starken Verschmutzungszuständen der durch die Abstufungswiderstände fließende Strom groß bleibt im Vergleich zu den kapazitiven Verlustströmen. Die Änderung des Stromes durch die Widerstände, die durch änderungen im kapazitiven Strom verursacht wird, würde dann vergleichsweise klein sein, und die Spannungsänderung über den "Widerständen würde belanglos sein. Ein erhöhter Strom durch die Abstufungswiderstände bei Betriebsspannung würde jedoch zu einer übermäßigen Widerstandserwärmung im Ableiter führen. Wenn andererseits für den erhöhten Strom bei einem kleinen Spannungsabfall über den Abstufungswiderständen nur oberhalb eines gewissen Wertes der Spannung gesorgt wird, können falsche bzw. unechte Überschläge vermieden werden ohne eine unangemessene Widerstandserwärmung bei Betriebsspannung. Ein derartiges Ergebnis kann durch die Verwendung eines Materials mit einem höheren Exponenten für die Abstufungswiderstände erzielt werden.

Bei Verwendung gewisser Metalloxid-Verbindungen, wie beispielsweise solchen, die hauptsächlich Zinkoxid zusammen mit ausgewählten Verunreinigungen enthalten, kann ein Abstufungswiderstand hergestellt werden, der einen relativ großen Exponenten in der Größenordnung von etwa 45 oder dem Zehnfachen des typischen Exponenten besitzt, der zur Zeit in Abstufungswiderständen aus Siliziumkarbid verwendet wird. Zusammensetzungen für Metalloxid-Widerstände mit einem so großen Exponenten sind beispielsweise in den folgenden US-Patentschriften beschrieben: 3 689 863, 3 598 763 und 3 496 512.

Es wurde jedoch gefunden, daß Zusammensetzungen für Abstufungswiderstände mit einem so großen Exponenten instabil sind, wenn sie kontinuierlichen Wechselströmen von 60 Hz bei einer Stromdichte von nur einem kleinen Bruchteil eines Amperes pro cm ausgesetzt sind. Selbst wenn gewisse Zusammensetzungen von nichtlinearen Widerständen aus Zinkoxid stabiler sind als andere, wenn

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ΒΛΓν

sie Wechselströmen ausgesetzt sind, so werden selbst diese stabileren Zusammensetzungen instabil, wenn sie kontinuierliche Ströme mit solchen Amplituden führen, die für Spannungsabstufungswiderstände selbst' eines nicht verschmutzten Hochspannungsabieiters erforderlich sind. Deren Widerstand nimmt über einem Leitfähigkeitszeitraum für derartige Ströme wesentlich ab. Ein fortgesetzter Stromfluß bei einem derartigen verkleinerten Widerstand führt dann zu einer Zerstörung des Widerstandes. Aus diesem Grunde ist es bisher nicht für sinnvoll gehalten worden, ein Material mit einem derartig hohen Exponenten für Abstufungswiderstände in Hochspannungsableitern zu verwenden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen überspannungsableiter zu schaffen, der die Nachteile der bekannten Ableiter vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ableiter mit einer Funkenstrecke gelöst, der sowohl ein Abstufungswiderstand mit einem relativ kleinen Exponenten als auch ein Abstufungswiderstand mit einem relativ großen Exponenten parallel geschaltet ist, wobei die zwei Abstufungswiderstände zueinander parallel geschaltet sind. Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin, daß das Problem der Instabilität des Materials mit relativ großem Exponenten vermieden wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 ist eine Seitenschnittansicht von einem Teil eines bekannten Ableiters und enthält eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltungsanordnung.

Figur 2 ist eine Seitenschnittansicht von einem Teil eines Stoßüberspannungsableiters gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

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Figur 3 ist eine Seitenansicht von einem Ableitermodul des Ableiters gemäß Figur 2 aus einer gegenüber dieser um 90 gedrehten Sicht.

Figur 4 ist eine teilweise schematische Seitenschnittansicht von einem Teil des Ableiters gemäß Figur 2.

Figur 5 ist ein Kurvenbild und stellt die Strom-Spannungscharakteristiken von- Abstufungswiderständen des Ableiters gemäß Figur 2 dar.

Figur 6 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht von einem Teil eines Ableitermoduls gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 7 ist ein Kurvenbild und stellt die Strom-SpannungsCharakteristiken der Abstufungswiderstände des Ableitermoduls gemäß Figur 6 dar.

Um den in Rede stehenden Fehlerbetrieb der bekannten Ableiter zu verstehen, ist es nützlich, den iVechselstromverlust aufgrund der kapazitiven Kopplung des Ableiters zu betrachten. Um die Erläuterung dieses kapazitiven Verlustes zu erleichtern, ist in Figur 1 eine schematische Darstellung von einem Teil eines bekannten Ableiters 10 gegeben. Der Ableiter 10 enthält drei von einer Anzahl von Ableitermoduln 12 auf der Innenseite eines Gehäusezylinders 14, der mit einer oberen Endkappe 16 versehen ist. Jeder Modul ist durch ein gestricheltes Kästchen 13 umrissen und enthält einen Funkenstreckenabschnitt 18, zwei Ventilblöcke 20 auf jeder Seite des Funktenstreckenabschnittes 18 und einen Abstufungswiderstand 22, der über die entfernten Seiten der Ventilblöcke geschaltet ist. .

Die kapazitive Kopplung, die zu jedem der Moduln 12 gehört, beruht vorwiegend auf vier kapazitiven Komponenten, die in Figur 1 durch ein Ersatzschaltbild in gestrichelten Linien und gestrichelten Kondensatoren dargestellt sind. Die gestrichelten Leitun-

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gen und Kondensatoren werden hier verwendet, um eine Verwechslung der koppelnden Kapazitäten mit tatsächlichen Kondensatoren zu vermeiden, die gelegentlich in einem Ableiter enthalten sind.

Die ersten koppelnden Komponenten C₁₁, C₁₂, C₁, . . . der ersten, zweiten und dritten Moduln, wobei mit dem obersten begonnen wird, sind die Kapazität des Moduls 12 selbst einschließlich beispielsweise der Kapazität zwischen den Elektroden des Funktenstreckenabschnittes 18.

Die zweiten koppelnden Komponenten C ., ^C?2^{J C}2'*> ' ' ' ^von entsprechenden Modul 12 sind die Kapazitäten aufgrund der Kopplung der Innenteile des Ableiters 10 mit dem Gehäuse 14.

Die dritten koppelnden Komponenten C-^₁, C,₂, C„ . . . von jedem entsprechenden Modul 12 sind die Kapazitäten des Porzellangehäusezylinders lH selbst.

Die vierten koppelnden Komponenten C^₁, C^₂, C^, . . . von jedem entsprechenden Modul 12 sind die Kapazitäten aufgrund der Kopplung des Porzellangehäusezylinders 14 mit Erde.

Während eines normalen Betriebes des Ableiters 10 ist die Spannung über der Kapazität C₁₁ und deshalb über dem Funkenstreckenabschnitt 18 des ersten Moduls 12 größer als die Spannung über dem Kondensator C₁₂, da C₁₁ und der Abstufungswiderstand 22 des ersten Moduls 12 auch alle kapazitiven Verlust- und die normalen Abstufungsströme für alle anderen Moduln 12 entlang der Leitung führen muß. Die Abstufungswiderstände 22 sind üblicherweise so gewählt, daß während des normalen Betriebes der Abstufungswiderstände durch diese hindurch viel größer ist als der kapazitive Verluststrom. Somit wird die Spannung über jeder Funkenstrecke durch die Widerstände 22 möglichst nahe dem gleichen Wert der anderen Funkenstrecken gehalten. Bei normalen Leitungsspannungen liegt der gesamte kapazitive Verluststrom üblicherweise in der Größenordnung von beispielsweise 0,01 mA, während der Abstufungsstrom durch die Abstufungswiderstände 22

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- 9 üblicherweise in der Größenordnung von 1 mA liegt.

In Figur 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ableiters gemäß der Erfindung gezeigt. Der Ableiter 24 weist ein Porzellangehäuse 26 auf, das an beiden Enden durch nicht gezeigte Metallkappen abgedichtet ist. Auf der Innenseite des Gehäuses 26 ist zwischen den Endkappen ein Stapel aus einzelnen Ableitermoduln 2 eingeklemmt, die paarig Seite an Seite angeordnet sind. In Figur ist nur ein Paar davon vollständig gezeigt. Eine andere Ansicht der Moduln 28 in einer gegenüber Figur 2 um 90° gedrehten Lage ist in Figur 3 gezeigt. Alle Moduln 28 des Ableiters 24 sind ähnlich und haben eine Nennspannung von 6 kV, was bedeutet, daß sie so ausgelegt sind, daß sie einer einzelnen Betriebsspannung von etwa 4,8 kV ausgesetzt werden sollen. Es sind gleiche Bezugszahlen verwendet, um gleiche Teile der Moduln 28 in den Figuren 2 und 3 zu bezeichnen.

Gemäß den Figuren 2 und 3 enthält jeder Modul 28 einen Funkenstreckenabschnitt oder eine Einheit ^O, die auf jeder ihrer Stirnflächen mit einem Ventilblock 32 in Kontakt steht. Elektrisch parallel zu der Reihenschaltung aus dem Funkenstreckenabschnitt und den Ventilblöcken 32 liegt ein Abstufungswiderstand 34 mit einem hohen Exponenten und ein Ab. stufungswiderstand 36 mit einem kleinen Exponenten. Die Moduln 28 sind in Paaren in einer Reihe geschichtet bzw. gestapelt, wobei die Paare auf isolierenden Abstandshaltern 38 zwischen metallischen Stützplatten 40 eingeklemmt sind, die in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind für eine Reihenschaltung als Paar durch ein diagonales Metallband 42, das zwischen zwei dünnen metallischen Kontaktplatten 44 verläuft, die jeweils zwischen dem Abstandhalter 38 und dem Ventilblock 32 angeordnet sind. Die Funkenstreckenelektroden der Einheit 30 sind auf der Innenseite keramischer Trägerscheiben der Einheit 30 angeordnet und nicht im einzelnen gezeigt, da eine detaillierte Beschreibung ihrer bestimmten Konfiguration für ein Verständnis der. Erfindung nicht für erforderlich gehalten wird. Die primären stromführenden Funkenstrecken der Einheit 30 sind mit den zwei Stirnflächen der Funkenstreckeneinheit 30 in Reihe geschaltet. 5 0 9829/0224

BAD ORIGINAL

Der einen kleinen Exponenten aufweisende Abstufungswiderstand 36" ist ein runder Stab aus einer Siliziumkarbid-Varistorzusammensetzung, die für einen elektrischen Kontakt mit metallischen Endkappen versehen ist. Er ist etwa 5 cm.lang, besitzt einen Durchmesser von etwa 1 cm und hat einen Exponenten der Strom-Spannungscharakteristik von etwa 4,5.

Der Abstufungswiderstand 34 mit hohem Exponenten ist ein runder Stab aus Zinkoxid-Varistorzusammensetzung, der mit einer Silbermetallisierung auf einem kurzen Abschnitt der Enden für einen elektrischen Kontakt versehen ist, um Klemmen 46 aufzunehmen, die auf einer Trägerplatte 40 bzw. der Kontaktplatte 44 angebracht sind. Er ist etwa 10 cm lang, hat einen Durchmesser von etwa 1,6 cm und einen Exponenten der Strom-Spannungscharakterir.tik von etwa 45.

Um die Beschreibung der Wirkungsweise des Ableiters 10 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zu unterstützen, ist in Figur 4 eine teilweise schematische Darstellung der elektrischen Elemente· des Ableiters 10 und die kapazitiven koppelnden Wechselstrom-Verlustkomponenten angegeben, die zu der Verschmutzung des Ableitergehäuses 26 gehören. Die kapazitiven Kopplungskomponenten sind durch die gleichen Symbole dargestellt, die in der vorstehenden Beschreibung zu Figur .1 verwendet sind, da die koppelnden Komponenten gemäß Figur 4 denjenigen der vorstehenden Beschreibung analog sind. Der erste Ableitermodul 28 an der Oberseite ist durch ein gestricheltes Rechteck 47 umrissen. Der Modul 28 enthält einen Ventilblock 32, der elektrisch mit jeder Seite des Funkenstreckenabschnittes 30 verbunden ist. Mit den entfernten Seiten der Ventilblöcke 32 ist der Abstufungswiderstand 36 mit kleinem Exponenten parallelgeschaltet. Ferner ist den entfernten Seiten der Ventilblöcke 32 der einen hohen Exponenten aufweisende Abstufungswiderstand 34 parallel geschaltet.

Wenn der Ableiter 10 in einem stationären Zustand bei Betriebsspannung arbeitet, kann durch die Abstufungswiderstände 36 mit kleinem Exponenten ein Strom von etwa 1 mA hindurchfließen, so

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- ii -

daß irgendein Kapazitätseffekt aufgrund von Verschmutzung auf der Außenfläche des Gehäuses 26 bei Netzspannungsfrequenzen nicht signifikant wird. Infolgedessen wird die Spannung relativ gleichförmig über dem Funkenstreckenabschnitt 30 abgestuft. Der Strom durch die Abstufungswiderstände 34 mit hohem Exponenten ist sehr klein und liegt in der Größenordnung von nur Mikroamperes. Dieser Strom reicht nicht aus, um ein signifikantes Instabilitätsrisiko der Widerstände 22 mit großem Exponenten darzustellen. Wenn eine Verunreinigung auf dem Ableiter 10 dazu führt, daß ein wesentlich erhöhter kapazitiver Verlust- bzw. Streustrom sporadisch durch die Abstufungswiderstände 34, 36 gedrückt wird, wird die Masse dieses Stromes durch den Widerstand 34 mit hohem Exponenten geleitet. Aufgrund des hohen Exponenten des Widerstandes 34 kann dieser Strom ohne Lichtbogen über den Funkenstreckenabschnitt 30 hindurchgeleitet werden, da der ohmsche Spannungsabfall gut unterhalb der Überschlagsspannung gehalten werden kann.

Eine graphische Darstellung der Strom-SpannungsCharakteristiken der Abstufungswiderstände 34, 36 mit kleinem bzw. großem Exponenten des Ableiters 10 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind grob in Figur 5 dargestellt» Die Abszisse des Kurvenbildes entspricht dem Logarithmus des Stromes in Ampere durch den Widerstand in einem logarithmischen Maßstab, während die Ordinate der Nennspannung des Ableitermoduls 28 entspricht. Die eingangs bereits erwähnte Betriebsspannung beträgt im allgemeinen etwa 80 % der Nennspannung. Die gestrichelte Kurve 48 zeigt das Verhalten des einen kleinen Exponenten aufweisenden Widerstandes 36. Wenn der Strom ansteigt, nimmt auch die Spannung über dem Widerstand 36 relativ schnell zu. Die ausgezogene Kurve 50 zeigt da3 Verhalten des Widerstandes 34 mit großem Exponenten, Die Spannung steigt mit zunehmendein Strom relativ langsam an. Es ist aus den Kurven 48, 50 ersichtlich, daß bei parallel geschalteten Widerständen J>k_t 36, so daß sie die gleiche Spannung sehen, nahezu der gesamte Strom vom den kleinen Exponenten^aufweisenden

r . . _n v£§führt wird/

Widerstand 3° bei der Betriebsspannung von 80 % Nennspannung/." Wenn der Strom zunimmt, so daß die Spannung auf 100 % der Nennspannung ansteigt, wird der Strom gleichmäßig auf die Widerstände

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34, 36 verteilt. Der Hauptteil der größeren Ströme als diejenigen bei 100 % Nennspannung werden von dem Widerstand 34 mit dem hohen Exponenten geführt. Somit kann die resultierende Kurve für die parallelen Widerstände 34, 36 für praktische Zwecke als die Kombination von dem Teil der dem kleinen Exponenten entsprechenden Kurve 48 unterhalb der dem großen Exponenten entsprechenden Kurve 50 zusammen mit demjenigen Teil der Kurve 50 angesehen werden, der sich rechts von der Kurve 48 für den kleinen Exponenten befindet» Somit wird der einen hohen Exponenten aufweisenden Widerstand 34 ein signifikanter Stromführer nur bei oder Über der Nennspannung. Da die Überschlagsspannung des Funkenstreckenabschnittes 48 im allgemeinen wenigstens 125 % der Nennspannung beträgt, ist ein Überschlag des Punkenstreckenabschnittes 28 durch falsche Streu- bzw. Verlustströme in den Abstufungswiderständen 34, 36 durch den Widerstand 34 mit hohem Exponenten verhindert.

Bei Anwendungsfällen, wo das Überschlagsniveau wesentlich höher liegt als die Nennspannung des Ableiters, beispielsweise wenn es das 1,35-fache der Nennspannung beträgt₉ kann der durch die Abstufungswiderstände 34 mit großem Exponenten hindurchgeleitete Strom bei dem Überschlagsspannungsniveau unmittelbar vor der Ableitung eines Überspannungsimpulses unerwünscht groß werden. Dies kann zu übermäßigen augenblicklichen Erhitsungseffekten führen. In einem solchen Fall ist es !Wünschenswert_s den Abstufungswider-¹ stand 34 mit einem linearen Widerstand in Reihe zu schalten, um den Strom in diesem Bereich zu steuern. Der Widerstandswert des linearen Widerstandes sollte so gewählt sein, daß beim Überschlagsspannungsniveau der Strom im Widerstand mit dem hohen Exponenten und dem linearen Widerstand sich etwa auf dem gewünschten Maximum für den Zinkoxid-Abstufungswiderstand befindet. Pur den Ableiter 10 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein solcher linearer Widerstand einen Widerstandswert von etwa 1000 Ohm und eine Nennleistung von etwa 2 Watt haben. Figur 6 stellt einen Teil eines Ableitermoduls dar, wie er beispielsweise in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist, wobei eine Klemme 52 zur Be- ' festigung von dem einen Ende eines einen hohen Exponenten aufweisenden Widerstandes 54 an einem langgestreckten Isolierteil 56

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angebracht ist,-der seinerseits an einer Kontaktplatte 58 des Moduls 60 befestigt ist. über den Isolierteil 56 und in elektrischem Kontakt mit der Klemme 52 und der Kontaktplatte 58 ist ein linearer Widerstand 62 geschaltet.

Die Wirkung des linearen Widerstandes 62 auf die Strom-Spannungscharakteristiken der verbundenen Abstufungswiderstände ist grob durch das Kurvenbild in Figur 7 dargestellt. Figur 7 ist der Figur 6 im wesentlichen ähnlich, außer den Zusatz der gestrichelten Linie 64, die die Strom-Spannungscharakteristiken des linearen Widerstandes 62 darstellt. Es wird deutlich, daß unmittelbar unterhalb der Überschlagsspannung, die in diesem Fall mit etwa 135 % der Nennspannung angenommen wird, die Spannung über dem linearen Widerstand schnell an Bedeutung gewinnt, um den Strom in dem einen hohen Exponenten aufweisenden Widerstand 54 zu begrenzen, der damit in Reihe geschaltet ist.

Es werden nun verschiedene allgemeine Überlegungen ausgeführt. Die Verschmutzung von Ableitergehäusen ist in den letzten Jahren ein besonders wichtiges Problem geworden. Da in elektrischen Energiesystemen zunehmend komplexe und teure Geräte verwendet werden, wird ein größerer Aufwand getrieben, um diese Geräte gegenüber einer Stoßüberspannungsbeschädigung der Isolation zu schützen. Während es bisher nur für angemessen gehalten wurde, einen Schutz gegen Überspannungen des 1,5-fachen der Betriebsspannung oder mehr vorzusehen, wird es nun üblich, einen Schütz gegen Überspannungen von dem nur 1,35-fachen der Betriebsspannung zu fordern. Somit ist im Endeffekt die Schutzspannungstoleranz für überspannungsableiter verengt worden. Andererseits sind aber Ableiter, die für einen Sehutz bei Werten vorgesehen sind, die näher an ihrer Betriebsspannung liegen, leichter durch Verunreinigung ihrer Gehäuse beeinträchtigt.

Der Ableiter gemäß der Erfindung ist zwar am nützlichsten für Wechselspannungsapplikationen, da dort Zinkoxidmaterial ein Stabilitätsproblem darstellt, so ist ein Ableiter gemäß der Erfindung selbstverständlich auch bei Gleichstromapplikationen brauchbar.

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Weiterhin ist zwar der Ableiter gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel für Hochspannungsapplikationen ausgelegt und umfaßt eine Vielzahl von Funkenstrecken, die vorliegende Erfindung ist jedoch auch für einen Ableiter verwendbar, der irgendeine Anzahl von Punkenstrecken einschließlich einer einzelnen Funkenstrecke aufweist_s und sie ist auch brauchbar, ob nun ein Ventilabschnitt in dem Ableiter verwendet wird oder nicht.

Ein sehr wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung sind wesentlich verminderte Kosten in dem Porzellangehäuse für den Ableiter. Wo eine Verschmutzung auf der Außenseite des Porzellans schwierige Probleme hervorruft, wie beispielsweise bei Anwendungsfällen für besonders hohe Spannungen _s ist es bisher stetige Praxis gewesen, die Oberflächenkriechlänge des Porzellans mit einer komplexen Kragenkonfiguration und einem erhöhten Durchmesser möglichst groß zu machen. Mit der vorliegenden Erfindung sind jedoch solche Merkmale im weiten Maße unnötig. Die Bedeutung dieses Vorteiles liegt darin_a daß der Porzellanteil einen sehr wesentlichen Anteil der Gesamtkosten eines Ableiters ausmacht. Mit der vorliegenden Erfindung kann das Gehäuse mit einem kleineren Durchmesser hergestellt und mit minimalen Kragen versehen werden.

Zwar betrug der Exponent des Abstufungswiderstandmaterials mit relativ hohem Exponenten in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel das Zehnfache des Exponenten des einen relativ kleinen Exponenten aufweisenden Materials, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß das einen hohen Exponenten aufweisende Material nur einen Exponenten zu haben braucht, der wesentlich größer als der Exponent des Materials mit kleinem Exponenten ist, um die Vorteile der Erfindung zu erreichen. Mit einem "wesentlich größeren Exponenten" ist gemeint, daß der Exponent in einem stärkeren Maße größer ist als der Exponent normalerweise variiert für ein gegebenes Material im Produktionsprozeß. Weiterhin ist das einen kleinen Exponenten aufweisende Material nicht auf Siliziumkarbid beschränkt, sondern es kann irgendeines von verschiedenen nichtlinearen Widerstandsmaterialien sein, die gegenwärtig verwendet werden· oder voraussicht-

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lieh in einem Ableiter für diesen Zweck verwendet werden könnten. Aus diesem Grunde könnte das einen relativ kleinen Exponenten »aufweisende Material tatsächlich linear sein und somit den Exponenten 1 aufweisen. Aus praktischen Gründen sind jedoch Siliziumkarbid und Zinkoxid für die einen kleinen bzw. großen Exponenten aufweisenden Materialien die wahrscheinlichsten Materialien, die in der absehbaren Zukunft verwendet werden.

Das Instabilitätsproblem bei Zinkoxidmaterialien ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Herstellung von Stoßüberspannungsableitern bekannt. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, daß ein Zinkoxidwiderstand, der einen Wechselstrom von 5 x 10 ³ Ampere/cm bei 60 Hz führt, im Widerstandswert sogar um den Faktor 2 abnehmen kann über einem Zeitraum von nur 2000 Stunden. Ein fortgesetzter Stromfluß führt dann zu einer Zerstörung der Widerstände dieser Art. Aus diesem Grunde würde ein Zinkoxid-Widerstand allein als Abstufungswiderstand nicht zu einem betriebssicheren Produkt führen, obwohl er in anderen Hinsichten das Verschmutzungsproblem vermindern würde, indem er einen hohen Abstufungsstrom bei erhöhten Spannungen liefert. Bei dem Siliziumkarbid-Abstufungswiderstand, der dem Zinkoxid-Widerstand parallel geschaltet ist, führt der Siliziumkarbid-Widerstand typischerweise einen Strom in der Größenordnung von einigen 10 mA bei der normalen Bet rieb sspannungsgröße des' Ableiters. Der Strom durch den Zinkoxid-Ableiter bei dieser Spannung ist nur in der Größenordnung von einigen 10 Mikroampere. Böi einem so kleinen fortgesetzten Stromfluß können Zinkoxid-Widerstände stabil bleiben» Andererseits ist der Strom durch den Zinkoxid-Ableiter bei einer Höhe von nur etwa dem 1,7-fachen der normalen Leitungsspannung in der Größenordnung von einigen Amperes. Da die Ströme, die selbst unter starken Verschmutzungsbedinsungen kapazitiv in den Ableiter gekoppelt sind, einige hundert Milliamperes bei dieser Spannungshöhe im allgemeinen nicht iibereohreiten, werden die Funkenstreckenspannungen auf, genügend gleichförmig abgestuften Werten gehalten durch die parallele Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Diesbezüglich sei darauf hingewiesen daß von den verschiedenen Zusammensetzungen, die als Beispiele in den eingangs genannten Patentschriften für

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Zinkoxid-Widerstände beschrieben worden sind, einige bei einer gegebenen Temperatur stabiler sind als andere, wenn sie Wechselströmen von 6ü ilz ausgesetzt sind. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, von den verschiedenen zur Verfügung stehenden Zusammensetzungen und Verfahren zur Herstellung derartiger Widerstände diejenigen auszuwählen, die einen Widerstand ergeben, der für die bestimmten Bedingungen, denen er ausgesetzt werden soll, genügend stabil ist.

Vorstehend wurde beschrieben, daß die Abstufungswiderstände der Reihenschaltung aus den Ventilblöcken und dem Funkenstreckenabschnitt parallel geschaltet sind; tatsächlich kann aber das Vorhandensein der Ventilblöcke zwischen der Funkenstrecke und dem Abstufungswiderstand bei der Betrachtung der Abstufungsströme unberücksichtigt bleiben. Deren Widerstand ist in dieser Hinsicht vernachlässigbar und gewinnt nur bei viel höheren Spannungen Bedeutung. Die Abstufungswiderstände können im Rahmen der hier gegebenen Lehren auch nur mit der Funkenstrecke oder den Funkenstrecken des Funkenstreckenabschnittes parallel geschaltet sein. Aus diesem Grunde ist der Aufbau desjenigen Abschnittes des Ableitermoduls, über dem die Abstufungswiderstände die Spannung abstufen, weitgehend belanglos , da die Abstufungsschaltung in der Tat ihre Spannungsabstufungsfunktion allein ausführen würde, ohne in anderer .Weise einer Funkenstrecke parallel geschaltet zu sein. Aus praktischen Gründen ist jedoch die Abstufungsfunktion besonders nützlich für und anwendbar auf eine Funkenstrecke, wie beispielsweise in einem Stoßüberspannungsableiter, der Spannungen ausgesetzt wird, die zum Überschlag ausreichen.

Die vorstehende Beschreibung eines Abstufung3widerstandes, der einem Funkenstreckenabschnitt parallel geschaltet sein soll, umfaßt Anordnungen, in denen Ventilblöcke oder verschiedene andere Elemente einschließlich anderer Funkenstrecken zusätzlich mit dem Funkenstreckenabschnitt in Reihe und mit dem Widerstand parallel geschaltet sind.

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Der Funkenstreckenabschnitt, über den die Abstufungswiderstände geschaltet werden, kann eine einzelne Funkenstreckenanordnung aus zwei Funkenstreckenelektroden oder eine Vielzahl von Funkenstrekkenanordnungen umfassen, und die Funkenstreckenanordnungen können alle vom gleichen Typ sein, wie beispielsweise eine einfache Funkenstrecke, oder einen komplexeren Aufbau besitzen, wie beispielsweise ein Strombegrenzungstyp. Sie können gleichfalls eine Mischung von verschiedenen Arten von Funkenstreckenanordnungen sein, die zusammen in Reihe, parallel oder eine Kombination davon geschaltet sind. Die wichtige Überlegung besteht darin, daß der Funkenstreckenabschnitt im wesentlichen ein spannungsempfindlicher Schalter ist, der sehr plötzlich bei einer vorbestimmten Spannung schließt, die höher als diejenige Spannung ist, der er während des normalen Betriebes bei der Betriebsspannung des Ableiters ausgesetzt ist.

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Claims (8)

Ansprüche

1./ Überspannungsableiter mit einem Gehäuse, das wenigstens zwei leitende Anschlußteile aufweist, die durch, ein hohles Isolierelement im Abstand angeordnet sind, und mit einem Funkenstreckenabschnitt, der in dem Gehäuse angeordnet ist und wenigstens eine Funkenstreckenanordnung umfaßt, von der eine Funkenstrecke mit den Anschlußteilen elektrisch in Reihe geschaltet ist, gekennzeichnet durch einen ersten Abstufungswiderstand (3*0 aus einem ersten nichtlinearen Widerstandsmaterial, der der Funkenstrecke der Funkenstreckenanordnung parallel geschaltet ist, wobei der Grad der Nichtlinearität des ersten Materials durch einen ersten numerischen Exponenten für die Spannung in einer Gleichung angegeben ist, die die allgemeinen Strom-Spannungscharakteristiken des ersten Materials beschreibt, und einen zweiten Abstufungswiderstand (36) aus einem zweiten nichtlinearen Widerstandsmaterial, der der Funkenstrecke und dem ersten Abstufungswiderstand (34) parallel geschaltet ist, wobei der Grad der Nichtlinearität des zweiten Materials durch einen zweiten numerischen Exponenten für die Spannung in einer Gleichung angegeben ist, die die allgemeinen Strom-Spannungscharakteristiken des aweiten Materials beschreibt, wobei der erste Exponent wesentlich größer als der zweite Exponent ist.

2. Ableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ι daß der erste Exponent wenigstens doppelt 30 groß ist wie der zweite Exponent,

3. Ableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Exponent etwa zehnmal so groß ist wie der zweite Exponent.

4. Ableiter nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß das erste Material im wesentlichen ein Metalloxid ist.

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5. Ableiter nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder ²J, dadurch gekennzei chnet, daß das erste Material im wesentlichen Zinkoxid ist.

6. Ableiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet·, daß das zweite Material im wesentlichen Siliziumkarbid ist.

7. Ableiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn, ze ichnet , daß wenigstens ein Ventilblockelement (32) mit nichtlinearem Widerstand vorgesehen ist, das elektrisch zwischen der Funkenstrecke (30) und einem der Anschlußteile in Reihe geschaltet ist.

8. Ableiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Punkenstreckenabschnitt (30) eine Vielzahl von Punkenstreckenanordnungen umfaßt, die elektrisch zwischen den Anschlußteilen in Reihe geschaltet sind.,

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