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Widerstandsanordnung mit spannungsabhängigen Widerständen
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Die Erfindung befaßt sich mit einer Widerstands anordnung mit spannungsabhängigen
Widerständen für den Schutz gegen Überspannungen.
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Widerstandsanordnungen dieser Art sind vor allem in Uberspannungs
ableitern enthalten, die sowohl zum Schutz elektronischer und nachrichtentechnischer
Geräte als auch von Einrichtungen der Energietechnik gegen Überspannungen verwendet
werden.
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Besonders beim Einsatz spannungsabhängiger Widerstandsanordnungen
in der Energietechnik erweist es sich als störend, daß die spannungsabhängigen Widerstände
zusätzlich auch eine Temperaturabhängigkeit des Widerstandes aufweisen. Diese Temperaturabhängigkeit
ist negativ, d. h. der Widerstandswert der spannungsabhängigen Widerstände nimmt
mit steigender Temperatur ab, so daß der durch die Widerstandsanordnung fließende
Strom steigt und die Erwärmung vergrößert. Dadurch kann es zu einem instabilen Verhalten
der Widerstandsanordnung kommen, die zur Zerstörung der Widerstände führen kann.
Ein Verhalten dieser Art zeigen die für Uberspannungsableiter verwendeten Widerstände
mit unterschiedlich starker Ausprägung, jedoch ist zu beobachten, daß sowohl Widerstände
auf der Basis von Siliziumkarbid als auch solche auf der Basis von Zinkoxid betroffen
sind.
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Es sind an s i ch sich Widerstandsmaterialien bekannt, die einen positiven
Temperaturkoeffizienten besitzen, so daß sich ihr Widerstandswert mit steigender
Temperatur erhöht (DT-PS 974 395, DT-OS
14 15 751). Ferner ist ein
Varistor, d. h. ein Widerstandskörper mit nichtlinearer Abhängigkeit des Widerstandes
von der Spannung bekanntgeworden, der mit einer Einrichtung zur Erfassung der Betriebstemperatur
des Varistors versehen ist. Diese Einrichtung bildet einen integralen Teil des Varistors
und weist eine oder mehrere Hilfselektroden auf. Diese Einrichtung gestattet es
zwar, Abhilfe zu schaffen, falls sich der Varistor zu stark erwärmt, beeinflußt
jedoch nicht die Temperaturabhängigkeit des Widerstandsmaterials (DT-OS 22 47 643).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Widerstandsanordnung
der genannten Art zu schaffen, deren Temperaturkoeffizient des Widerstandes wesentlich
geringer als bei bekannten spannungsabhängigen Widerständen ist. Dies wird gemäß
der Erfindung dadurch erreicht, daß ein negativer Temperaturkoeffizient der spannungsabhängigen
Widerstände durch ein Widerstandsmaterial mit positivem Temperaturkoeffizienten
ganz oder teilweise ausgeglichen ist.
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Hierzu kann z. B. in Reihe mit den spannungsabhängigen Widerständen
wenigstens ein Widerstandskörper mit positivem Temperaturkoeffizienten geschaltet
sein.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit zur Verwirklichung der Erfindung
kann darin bestehen, daß die spannungsabhängigen Widerstände aus einer Mischung
von Substanzen bestehen, von denen die eine dem üblichen Widerstandsmaterial zur
Herstellung spannungsabhängiger Widerstände entspricht und die andere ein Widerstandsmaterial
mit positivem Temperaturkoeffizienten ist. Dies hat den Vorteil, daß mehr oder weniger
umfangreiche Widerstandsanordnungen aufgebaut werden können, ohne daß hierbei die
Anzahl der benötigten Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten besonders
berücksichtigt oder errechnet werden muß. Vielmehr vollzieht sich der Ausgleich
der Temperaturkoeffizienten in jedem einzelnen Widerstandskörper.
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Der Ausgleich des negativen Temperaturkoeffizienten des spannungsabhängigen
Widerstandsmaterials durch ein Widerstandsmaterial mit positiver Charakteristik
kann je nach dem vorgesehenen Anwendungszweck und den Erfordernissen mehr oder weniger
vollständig durchgeführt werden. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, die ver-
schiedenen
Widerstandsmaterialien in solcher Proportionierung zu mischen, daß sich beim Uberschreiten
eines bestimmten Grenzwertes der Temperatur ein starkes Abfallen des Widerstandswertes
ergibt. Der dann einsetzende plötzliche Anstieg des durch die Widerstands anordnung
fließenden Stromes kann meßtechnisch zur Einleitung von Schutzmaßnahmen, d. h. zum
Beispiel zur Abtrennung des Uberspannungsableiters von dem zu schützenden Netz ausgenutzt
werden. Auf diese Weise wird eine Zerstörung des Ableiters und eine eventuelle Beschädigung
von benachbarten Anlagenteilen vermieden.
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Zum Ausgleich des Temperaturkoeffizienten bei aus Zinkoxid sowie Dotierungsstoffen
bestehenden spannungsabhängigen Widerständen eignen sich im Rahmen der Erfindung
besonders Titandioxid bzw.
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Titanate.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Die Figur 1 zeigt in vereinfachter Darstellung einen Uberspannungsableiter,
der eine Reihenschaltung von Funkenstrecken und spannungsabhängigen Widerständen
enthält.
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Einen weiteren Uberspannungsableiter, der nur aus spannungsabhängigen
Widerständen aufgebaut ist, zeigt die Figur 2.
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Der in der Figur 1 gezeigte Uberspannungsableiter 1 weist ein rohrförmiges
Gehäuse 2 auf, dessen Enden durch Kappen 3 und 4 dicht verschlossen sind. Die Kappen
tragen Anschlußvorrichtungen 5 und 6 zur Verbindung des Uberspannungsableiters 1
mit einem Spannung führenden Teil und einem Erdleiter. Im Inneren des Rohres 2 befindet
sich eine aus mehreren Funkenstrecken 7 und mehreren spannungsabhängigen Widerstandskörpern
10 bestehende Reihenschaltung. Ein weiterer mit den Widerstandskörpern 10 in Reihe
geschalteter Widerstandskörper 11 besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten,
um den negativen Temperaturkoeffizienten der Widerstandskörper 10 ganz oder teilweise
zu kompensieren. Die Widerstandskörper 10 können z. B. aus Siliziumkarbid bestehen,
während der Widerstandskörper 11 aus Metalloxiden hergestellt sein kann.
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Im Unterschied zu dem in der Figur 1 dargestellten Uberspannungsableiter
1 enthält der in der Figur 2 gezeigte Uberspannungsableiter 12 nur spannungsabhängige
Widerstände 13, denen bei ihrer Herstellung ein bestimmter Anteil eines Widerstandsmaterials
mit positivem Temperaturkoeffizienten beigegeben ist. Als Ausgangssubstanzen zur
Herstellung der Widerstandskörper 13 können dabei Zinkoxid und weitere Metalloxide
sowie Titanverbindungen dienen.
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Es ist natürlich auch möglich, kombinierte Widerstandskörper, d. h.
solche, die sowohl spannungsabhängig als auch temperaturkompensiert sind, in Verbindung
mit Funkenstrecken zu verwenden, wie dies in der Figur 1 gezeigt ist. Im übrigen
können auch teilweise kompensierte Widerstandskörper zum weiteren Abgleich der gewünschten
Kennlinie in Reihe mit einem Widerstandskörper geschaltet sein, der nur zum Ausgleich
des Temperaturkoeffizienten dient.
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Zur Verwendung in Uberspannungsableitern eignen sich insbesondere
Widerstandskörper, die aus Zinkoxid bestehen, dem Dotierungsstoffe, vor allem Metalloxide,
zugemischt sind. Solche Widerstände, die auch als Varistoren bezeichnet werden,
besitzen eine derart ausgeprägte Spannungsabhängigkeit, daß in bestimmten Fällen
auf eine Reihenschaltung mit Funkenstrecken verzichtet werden kann, weil der Widerstand
selbst den Stromfluß vollständig sperrt, wenn die Spannung unterhalb eines Grenzwertes
bleibt.
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Eine Erwärmung des Widerstandes verändert jedoch seine Eigenschaften
infolge des negativen Temperaturkoeffizienten derart, daß ein Strom zunehmender
Größe fließ, der schl eßlich den Widerstandskörper thermisch zerstört. Dies läßt
sich durch die Zugabe von Titandioxid oder einem Titanat zu den Substanzen verhindern,
aus denen der Widerstandskörper hergestellt wird. Dabei kommt es darauf an, daß
die Körner der Titanverbindung erhalten bleiben, wenn der Widerstandskörper aus
der gepreßten und getrockneten Mischung der Ausgangsstoffe gebram?t bzw. gesintert
wird. Es ist daher wesentlich, den Sinter- bzw. Brennprozeß in seinem Temperaturverlauf
so zu steuern, daß einerseits das Zinkoxid und die Dotierungsstoffe die zur Erzeugung
der Spannungsabhängigkeit
erforderliche Verbindung eingehen, andererseits
aber eine Auflösung der Titandioxid- oder Titanatteilchen unterbleibt.
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2 Figuren 5 Ansprüche