DE2902006A1

DE2902006A1 - Ueberspannungsableiter

Info

Publication number: DE2902006A1
Application number: DE19792902006
Authority: DE
Inventors: James Stanley Kresge; Eugene Clement Sakshaug
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-01-20
Filing date: 1979-01-19
Publication date: 1979-07-26
Also published as: FR2415382A1; BR7900434A; US4174530A; CH646821A5; DE2902006C2; JPH0230148B2; JPS54113053A; FR2415382B3; MX145649A; SE442470B; SE7900512L

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady, New York 12305 (USA)

überspannungsableiter

Die Erfindung betrifft einen überspannungsableiter.

Der im folgenden gebrauchte Ausdruck "Exponent" bedeutet die Größe des Stromstärke-Spannungs-Exponenten "n" der Spannung in der Stromstärke-Spannungsbeziehung eines nichtlinearen Widerstandes, die aus der Gleichung I = kV besteht, wobei I die Stromstärke in dem Varistor, k eine Konstante und V die Spannung an dem Varistor darstellt.

Das früher für die Varistoren verwendete Material, z.B. Silizium-Karbid, hatte einen Exponenten von 4 bis 5, der zu klein war, um es zu ermöglichen, daß der Varistor dauernd und unmittelbar zwischen der Netzleitung und Erde angeordnet wurde.

Wenn demgemäß die Varistorimpedanz derart bemessen wurde, daß die Entladespannung bei einer Stromstärke von 10 000 Amperes infolge eines Blitzstoßstromes auf einen praktikablen Wert begrenzt wurde, war bei der normalen Betriebsspannung die Stromstärke immer noch so groß, um eine überhitzung und infolge des Wärmedurchgangs schließlich einen Ausfall zu verursachen. Aus diesen Gründen wurden in Verbindung mit den Ableitern aus dem Material mit dem kleinen Exponenten in Reihe geschaltete Funkenstrecken verwendet, bei denen zwi-

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sehen dem Varistor und Erde während des normalen Betriebes ein offener Stromkreis vorlag. Um durch den Varistor mit dem kleinen Materialexponenten einen Strom fließen zu lassen, war eine überspannung notwendig, die an den in Reihe liegenden Funkenstrecken einen Überschlag hervorrief.

Die Zinkoxid-Varistoren weisen einen Exponenten η in der Größe von etwa 25 oder größer auf. Die Folge dieser Größe des Exponenten ist, daß ein Varistor aus diesem Material, der auf Stabilität ausgelegt ist, wenn er einem durch einen Blitz hervorgerufenen Stoßstrom von z.B. 10 000 Amperes ausgesetzt ist, die Spannung auf eine Größe begrenzt, die nur etwa 10% höher ist als die Sicherheitsspannung der besten Ableiter, die Ventilelemente aus Silizium-Karbid verwenden. Mit anderen Worten, ermöglicht es die Verwendung eines Zinkoxids-Varistors einen überspannungsableiter herzustellen, der keine Funkenstrecken aufweist und der einen Schutz erzeugen kann, der innerhalb von 10% von demjenigen liegt, der durch moderne übliche Ableiter zustandekommt, bei denen Silizium-Karbid-Varistoren verwendet werden.

Um Schutzcharakteristika zu erzeugen, die mindestens gleich oder besser sind als diejenigen der zur Zeit zur Verfügung stehenden Ableiter, ist es notwendig, in dem Entladungsstromkreis 10% oder mehr des gesamten Varistormaterials während der Überspannungsentladungen, z.B. der Entstehung von Blitzen, 1-0% oder mehr zu überbrücken oder aus dem Entladungsstromkreis herauszunehmen. Das kann geschehen, indem parallel zu etwa 10% der in Reihe liegenden Zinkoxid-Varistorelemente Funkenstrecken angeordnet werden und diese Funkens trecken zum Überschlagen gebracht werden, wenn der durch den Ableiter hindurchgehende Entladungsstrom die Größe von einigen hundert

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Amperes des Auftretens einer Überspannung erreicht.

Die Verwendung von Zinkoxid-Varistoren und parallel geschalteten Funkenstrecken ist in der US-Patentanmeldung S.N. 805 737, angemeldet am 13. Juni 1977, und im schwedischen Patent 720 9436-0,angemeldet am 18. August 1972, beschrieben. Die Verwendung von Varistoren mit einem kleinen Materialexponenten mit parallel angeordneten Funkenstrecken ist in dem US-Patent 3 320 482_fveröffentlicht am 16. Mai 1967, beschrieben.

Es ist erwünscht, daß die Größe der Spannung an dem Ableiter, bei welcher die parallel geschalteten Funkenstrecken zum Überschlag kommen, sehr genau bemessen werden. Das heißt, es ist zu fordern, daß sie zum Überschlag kommen, bevor die Ableiterspannung eine Größe erreicht, welche die Größe der vorgesehenen Sicherheitsspannung überschreitet. Sie sollten nicht zum Überschlag kommen, bevor dies unbedingt notwendig ist, damit der Ableiter besser in der Lage ist, von dem System aufgenommenen Überspannungen oberhalb der normalen Größe, jedoch unterhalb der Sicherheitsgrcße/ohne Schaden zu widerstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Überspannungsableiter der vorgenannten Art zu schaffen, bei dem die Überschlagspannungen der Funkenstrecken genau bestimmbar sind. Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Überspannungsleiter gekennzeichnet durch die Kombination mindestens eines Netzleitung und Erde verbindenden Varistors aus einem einen großen Exponenten η in der Beziehung I = kVⁿ enthaltenden Material mit mindestens einem mit ihm in Reihe geschalteten Varistor aus einem Material mit einem kleinen Exponenten η und mit mindestens einer Funken-

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strecke, die den Varistor mit dem kleinen Exponenten n und einen Teil des Varistors mit dem großen Exponenten η in den Nebenschluß legt, um die Spannung an dem Ableiter während des Auftretens einer Überspannung zu verringern.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen;

Fig. 1 einen zum Stand der Technik gehörigen überspannungsableiter in schematischer Darstellung,

Fig. 2 einen weiteren überspannungsableiter aus dem Stand der Technik, ebenfalls in schematischer Darstellung,

Fig. 3 einen überspannungsableiter gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 4 die Beziehung zwischen der Stromstärke in dem Varistor und der Spannung in graphischer Darstellung,

Fig. 5 eine andere Ausführungsform des Überspannungsableiters gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung und

Fig. 6 eine Abwandlung des Überspannungsabieiters gemäß Fig. 5 in der gleichen Darstellungsart.

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Der Überspannungsableiter 10 gemäß dem Stand der Technik nach Fig. 1 besteht aus einem Porzellangehäuse 11 mit einer oberen Endanschlußkappe 12 und einer unteren Endanschlußkappe 13. Der Ableiter 10 enthält weiterhin in dem Gehäuse 11 einen Hauptventilblock 17, der aus mehreren Varistorscheiben aus Zinkoxid besteht, die in Reihe geschaltet sind. In dem Gehäuse 11 ist weiterhin eine mit einem Nebenschluß versehene Ventileinheit 18 enthalten, die in erster Linie wiederum aus mehreren Varistorscheiben 19 aus Zinkoxid besteht, die elektrisch in Reihe geschaltet sind,und eine einfache Funkenlöschstrecke 20 aufweist, die parallel geschaltet ist. Der Ableiter 10 ist mit der Netzleitung 15 mit Hilfe der oberen Endanschlußkappe 12 und einer Leitung 14 verbunden. Die elektrische Verbindung zur Erde kommt mit Hilfe der unteren Endanschlußkappe 13 und einer Leitung 16 zustande. Da sowohl der Hauptventilblock 17 als auch der mit einem Nebenschluß versehene Ventilblock 19 dauernd zwischen der Netzleitung 15 und Erde liegen, fließt ununterbrochen ein kleiner Varistorstrom sowohl durch den Hauptventilblock als auch durch den mit einem Nebenschluß versehenen Ventilblock. Der sehr große Exponent der Zinkoxidvaristoren stellt sicher, daß ein Strom in der Größe von nur wenigen Milliampere durch den Hauptventilblock 17 und den mit einem Nebenschluß versehenen Ventilblock 19 zur Erde fließt. Wenn an der Netzleitung 15 eine Überspannung auftritt, hat die an dem Ableiter 10 gegen Erde entstehende Spannung zur Folge, daß die Zinkoxidelemente in den Blöcken 17 und 19 eine größere Leitfähigkeit annehmen. Da die von dem Ableiter 10 zu schützende Einrichtung zu diesem parallel geschaltet ist, tritt an der zu schützenden Einrichtung der gleiche Überspannungszustand auf. Der'Zweck des Ableiters 10 besteht demgemäß darin, große Stoßströme, die bei starken überspan-

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nungen entstehen, über den Ableiter 10 zur Erde umzuleiten, um einen Ausfall der zu schützenden Einrichtung zu verhindern, indem die Spannung begrenzt wird, welcher die Einrichtung ausgesetzt ist. Das wird auf folgende Weise bewirkt :

Beim Auftreten einer Überspannung an dem Ableiter 10 kommt eine schnelle und erhebliche Vergrößerung der Stromstärke in dem Ableiter zustande entsprechend der oben erörterten Beziehung I = CVⁿ. Die Spannung am Block 19 steigt direkt proportional zu dem Anstieg der Spannung an dem gesamten Ableiter 10, weil der mit einem Nebenschluß versehene Ventilblock 19 und der in Reihe liegende Ventilblock 17 den gleichen Charakteristikexponenten η aufweisen. Die einfache Funkenstrecke 20 ist derart eingestellt, daß, wenn eine vorbestimmte Spannung, welche die gleiche Größe hat, wie die Sicherheitsspannung des entsprechenden Ableiters,an diesem auftritt, die Funkenstrecke 10 ionisiert wird, und die parallele Spannung, die sowohl an dem Block 19 als auch an der Funkenstrecke 20 besteht, zusammenbricht , wenn an der Funkenstrecke 20 ein Lichtbogen auftritt. Die Herabsetzung der Spannung an dem Ableiter 10 verringert schnell auch die Größe der Spannung, die an der zu schützenden Einrichtung besteht und verhindert die Zerstörung der dielektrischen Materialien in dieser, die unter einer großen Spannungsbeanspruchung stehen.

Bei dem Stromkreis gemäß Fig. 1 ist die Spannung an dem mit einem Nebenschluß versehenen Ventilblock 19 immer direkt proportional zu der Spannung an dem Ableiter 10. Jede Änderung der Überschlagspannung der Funkenstrecke 20 verursacht eine direkt proportionale Veränderung der Spannung an dem

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gesamten Ableiter, bei welcher der Überschlag eintritt. Wegen der unerwünschten Unsicherheit bezüglich der Größe der Ableiterspannung, bei welcher der Funkenüberschlag eintritt, ist es notwendig, einige v/eitere Schaltmittel vorzusehen, um eine konstantere Überschlagsspannungscharakteristik zu erzielen.

Schaltmittel der vorgenannten Art, mit deren Hilfe genauere Überschlagspannungsbedingungen zu erzielen sind, sind aus Fig. 2 zu entnehmen. Der bekannte Ableiter 10 gleicht weitgehend demjenigen nach Fig.. 1 / und zur Bezeichnung gleicher Teile sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden. Die Hilfsventileinheit 18 enthält eine zusätzliche Funkenstrecke

21, die eine Steuerkontrolle ist, einen Kopplungswiderstand

22, einen linearen Widerstand 23 und einen Einstellkondensator 24. Der Einstellkondensator 24 liegt parallel zu dem linearen Widerstand 23, und der Kopplungswiderstand 22 liegt mit seinem einen Ende an der Verbindungsleitung zwischen den Funkenstrecken 20 und 21 und mit seinem anderen Ende zwischen dem linearen Widerstand 23 und dem Ventilblock 19.

Wenn an dem Ableiter 10 eine Stoßspannung auftritt, fühlt die Steuerfunkenstrecke 21 die Spannung an dem Spannungswiderstand 23 über den Kopplungswiderstand 22 ab und stellt ihren Abstand für das überschlagen auf eine vorbestimmte Überschlagspannung ein. Nachdem der Überschlag an der Steuerfunkenstrecke 21 erfolgt ist, schlägt auch die Funkenstrecke

20 über, da sie durch die zusätzliche Spannung an dem Kopplungswiderstand 22 nach überschlagen der Steuerfunkenstrecke

21 plötzlich eine überspannung erhält. Sowohl der Spannungswiderstand 23 und das Ventil 19 sind demgemäß aus dem Strom-

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kreis ausgeschaltet, während der Hochspannungsteil des Stoßstromes durch den Ableiter 10 hindurchgeht. Die Wirkungsweise des Kopplungswiderstandes 22, des Spannungswiderstandes 23 und des Einstellkondensators 24 sind in der oben erwähnten US-Patentanmeldung folgendermaßen beschrieben:

Die Größe des Spannungswiderstandes 23 ist derart gewählt, daß die Spannung an ihm etwa die gleiche ist wie diejenige an dem Ventil 19 zu der Zeit, wenn sich die Ableiterspannung der Sicherheitsgröße nähert und es erwünscht ist, das Ventil 19 und den mit ihm in Reihe liegenden Spannungswiderstand 23 auszuschalten. Der Einstellkondensator 24 ist derart gewählt, daß er eine Kapazität aufweist, die etwa gleich derjenigen des Ventils 19 ist, um eine gleiche Spannungsaufteilung zwischen dem Spannungswiderstand 23 und dem Ventil 19 und einen schnellen Wechsel der aufgebrachten Spannungen sicherzustellen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß, da das Hauptventil 17 und das mit dem Nebenschluß versehene Ventil 19 in hohem Maße nichtlinear und der Spannungswiderstand 23 im wesentlichen linear sind und die Spannung an dem Spannungswiderstand 23 und demgemäß an der Steuerfunkenstrecke 21 viel schneller zunimmt, relativ gesprochen, als die Spannung an dem. gesamten Ableiter 10. Selbst, wenn die Steuerfunkenstrecke 21 bezüglich ihres überschlagswertes etwas unregelmäßig oder ungenau ist, steuert sie demgemäß nichtsdestoweniger das Nebenschließen des Ventils 19 und des Spannungswiderstandes 23 sehr genau in Abhängigkeit von der Spannung an dem gesamten Ableiter. Mit anderen Worten, der Spannungswiderstand 23 erzeugt eine "Hebelübersetzung", die es der Steuerfunkenstrecke 21 ermöglicht, das Nebenschließen in sehr genauer Abhängigkeit von der Spannung an dem gesamten Ableiter zu steuern.

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Ein Nachteil der bekannten Schaltung gemäß Fig. 2 besteht darin, daß sie verwickelt ist, indem sie zwei Funkenstrekken für jedes Ventilelement 19 erfordert und außerdem einen linearen Widerstand 23 mit einer verhältnismäßig großen Stromaufnahmefähigkeit benötigt, was schwierig zu verwirklichen ist. Die Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist weniger verwickelt und verwendet einen leicht erhältlichen Silizium-Karbid-Varistor bei ähnlicher Anwendung. Die Erfindung verwendet weiterhin zwei Nebenschlußfunkenstrecken in Parallelschaltung zu zwei Nebenschlußventilelementen 19 anstelle der einzigen Nebenschlußfunkenstrecke bei dem bekannten Ableiter.

Die Gestaltung des Ausführungsbeispiels des Ableiters gemäß der Erfindung nach den Fig. 3, 5 und 6 gleicht insofern der Gestaltung des Ableiters nach den Fig. 1 und 2, als ein Hauptventilblock 17 in Reihe mit einer nebenzuschließenden Ventileinheit 18 liegt. Die Ventileinheit 18 gemäß Fig. 3 enthält mehrere Varistorscheiben 19a, 19b aus Zinkoxid und eine Scheibe 25 aus Silizium-Karbid (SiC) für je zwei der verwendeten Scheiben aus Zinkoxid. Jeder der Ventilblöcke 19 weist eine entsprechende einfache Funkenstrekke 20 auf, die für die gleichen Funkenüberschlagszwecke dient wie bei den bekannten Ableitern gemäß den Fig. 1 und 2. Die Wirkungsweise der Ventileinheit 18 ist folgende:

Wenn die Spannung an dem gesamten Ableiter 10 steigt, steigt die Stromstärke in einem wesentlich größeren Maße als die Spannung, wie dies der oben erörterten Beziehung I = CV entspricht. Wegen dieses unproportional schnellen Anstiegs der Stromstärke und weil die SiC-Varistorscheibe einen viel kleineren Exponenten besitzt (n «=«4 bis 5) als

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die ZnO-Scheiben 17 und 19 (η ^^ 25) nimmt die Spannung an der Kombination der ZnO-Scheibe 19b, der SiC-Scheibe 25 und der Steuerfunkenstrecke 20b in viel größerem Maße zu als die Spannung an dem gesamten Ableiter 10.

Die Kombination der Zinkoxid- und der SiC-Varistorscheiben in der Ventileinheit 18 erzeugt in ähnlicher Weise wie bei dem bekannten Ableiter gemäß Fig. 2 eine Art "Hebelübersetzung". Die Hebelübersetzung ermöglicht es der Steuerfunkenstrecke 20b, das Nebenschließen in einer sehr genauen Abhängigkeit von der Spannung an dem gesamten Ableiter zu steuern.

Nachdem sich an der Steuerfunkenstrecke 20b der Überschlag vollzogen hat, findet dieser auch bei der Nebenschlußfunkenstrecke 20a statt, da die Spannung an der Funkenstrecke schnell bis zu ihrem Überschlagswert steigt, weil nunmehr die Spannung an dem Kopplungswiderstand 22 angestiegen ist. Um die günstige Wirkung der Ausführungsform gemäß Fig. 3 weiter zu erläutern, sind die erzeugten Spannungs-Stromstärke-Kennlinien der Bestandteile in Fig. 4 dargestellt. Die Volt-Ampere-Kennlinie 1 des in Reihe liegenden Ventilblocks T7 mit einem großen Exponenten gemäß Fig. 3 hat zur Voraussetzung, daß die Spannung an dem Ableiter 10 gleich der Sxcherheitsspannungsgröße des Ableiters ist und daher einem Stoßstrom von einigen tausend Ampere entspricht, der z.B. infolge eines Blitzschlages auftritt.

Wie schon oben erörtert worden ist, ist es, um eine ausreichende Stabilität bei der dauernd herrschenden Spannung sicherzustellen, notwendig, eine Anzahl von zusätzlichen Scheiben mit einem großen Exponenten vorzusehen in einer Menge von etwa 10% von denjenigen, die durch die Kennlinie

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der Fig. 4 charakterisiert sind. Diese zusätzlichen Scheiben müssen bei einer geeigneten Größe der Stromstärke aus dem Stromkreis ausgeschaltet werden, wie dies unten im einzelnen erläutert werden wird.

Fig. 3 enthält zwei zusätzliche Scheiben 19a und 19b, welche die erforderlichen zusätzlichen 10% ausmachen. Die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 2 der Fig. 4 stellt die Charakteristik einer der zusätzlichen Scheiben 19a und 19b dar, die bei jeder beliebigen Stromstärke 5% der Spannung angibt, die durch die Kennlinie 1 des Ventilblocks 17 wiedergegeben ist. Die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 3 ist dem Silizium-Karbid-Varistor 25 der Fig. 3 zugeordnet, der derart ausgewählt ist, daß er bei einer Stromstärke von 300 Amperes die gleiche Spannung aufweist wie jede der zusätzlichen Scheiben 19a und 19b. Die besondere Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 3 des Silizium-Karbid-Varistors 25 für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 und 4 ist für eine bestimmte Ableitergestaltung ausgewählt und kann sich mit einer Änderung dieser Gestaltung verändern.

Die Steuerfunkenstrecke 20b der Fig. 3 liegt mit der zusätzlichen Scheibe 19b und der SiC-Scheibe 25 in Reihe, und die Spannung an der Steuerfunkenstrecke 20b ist durch die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 4 der Fig. 4 wiedergegeben. Diese stellt die Summierung der beiden Spannungs-Stromstärke-Kennlinien bei jeder wiedergegebenen Größe der Stromstärke dar. Die Volt-Ampere-Kennlinie 5 des gesamten Ableiters 10 stellt die Summierung der Spannungs-Stromstärke-Kennlinien 1, -2 und 4 dar, die den Scheiben 17 bzw. 19a bzw. 19b und 25 entsprechen. Damit der Ableiter 10 eine Sicherheitsspannungsgröße aufweist, die das 1,39-fache seiner Beanspruchung während der

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Entladung darstellt, die durch einen Schaltungsstoßstrom entsteht, gibt die Kennlinie 5 der Fig. 4 an, daß diese Größe bei einer Ableiterstromstärke von 300 Ampere erreicht wird. Um die Sicherheitsspannungsgröße des 1,39-fachen der Ableiterbeanspruchung nicht zu überschreiten, ist es notwendig, daß die Steuerfunkenstrecke 20b und die Nebenschlußfunkenstrecke 20a zum überschlagen kommen, sobald die Stromstärke in dem Ableiter sich 300 Amperes nähert. Wenn die Stromstärke in dem Ableiter 300 Amperes erreicht, beträgt die Spannung an der Steuerfunkenstrecke 20b das 0,121-fache der Ableiterbeanspruchung, wie dies durch die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 4 angegeben ist. Die Spannung an der Nebenschlußfunkenstrecke 20a beträgt das 0,06-fache der Ableiterbeanspruchung, wie dies durch die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 2 angezeigt wird. Die Steuerfunkenstrecke 20b muß auf die gleiche Größe der Überschlagsspannung eingestellt werden, da, wenn die Steuerfunkenstrecke 20b einmal überschlägt, die Nebenschlußfunkenstrecke 20a einer Spannung von etwa dem 0,181-fachen der Ableiterbeanspruchung ausgesetzt wird, so daß die Funkenstrecke 20a sogleich zum Überschlag kommt und damit dem überschlagen der Funkenstrecke 20b unmittelbar folgt. Nachdem beide Funkenstrecken 20a und 20b den Überschlag vollzogen haben, werden, die Scheiben 19a und 19b und 25 infolge des vernachlässigbaren Spannungsabfalls an den Funkenstrecken nach dem Überschlagen kurzgeschlossen, und die Ableiter-Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 5 senkt sich auf die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 1 des Hauptventilblocks 17 an der 300 Ampere-Grenze bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ab.

Für das oben gezeigte Ausführungsbeispiel muß die Funkenstrek— ke 20b auf eine maximale ÜberschlagsSpannungsgröße eingestellt

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werden, die dem 0,121-fachen der Ableiterbeanspruchung entspricht, die einer Ableiterstromstärke von 300 Amperes gleichkommt und einer Spannung an dem gesamten Ableiter von dem 1,3 9-fachen der Ableiterbeanspruchung. Wenn der Steuerfunkenstrecke 20b eine Überschlagsspannungstoleranz von 10% zugebilligt wird, beträgt die kleinste tiberschlagsspannung das 0,110-fache der Ableiterbeanspruchung· Die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 4 zeigt, daß dieser Überschlag bei einer Ableiter-Stromstärke von 185 Amperes stattfindet, wobei, wie die Kennlinie 5 zeigt, die Spannung an dem gesamten Ableiter das 1,35-fache der Ableiterbeanspruchung beträgt. Bei einer Abweichung von 10% der Größe der Überschlagsspannung der Steuerfunkenstrecke 2Ob beträgt demgemäß die Abweichung der Spannung an dem gesamten Ableiter, bei welcher der Überschlag stattfindet, nur 3%. Die "Hebelübersetzung", die durch Verwendung der SiC-Scheibe in Reihe mit der ZnO-Scheibe 19b zustandekommt, beträgt nahezu 3 : 1. Das Maß der zustandekommenden "Hebelübersetzung" hängt von der wirksamen Nichtlinearität der Scheiben 19b und 25 ab, die an der Funkenstrecke 2Ob des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 miteinander verbunden sind. Da das Maß der Nichtlinearität einer Varistorscheibe in Beziehung zu der Größe des Exponenten η steht, ist eine Reihe von Diagrammen entwickelt worden, um die Auswirkung des Exponenten η auf das Eintreten des Überschlags zu bestimmen. Wenn die ZnO- und SiC-Scheiben 19a, 19b und 25 durch einen linearen Widerstand 23 (n = 1) ersetzt werden, wie dies der bekannten Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht, ergab eine 10%ige Änderung der Überschlagspannung der im Nebenschluß liegenden Funkenstrecke das Zustandekommen des Überschlagens in einem Bereich von 0,5% der Spannung an dem Ableiter. Für die ZnO-Scheiben 17 und 19 der Fig. 1 (n*=^25) ergab eine 10%ige

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Veränderung der Überschlagspannung der Nebenschlußfunkenstrecke das Zustandekommen eines Überschlags im Bereich von 10% der Ableiterspannung. Die Ausfuhrungsform nach den Fig. 3, 5 und 6, die sowohl ZnO-Scheiben (n <^=^2S) als auch SiC-Scheiben (n '--—* 4,5) verwenden, bringen, wie dies oben beschrieben worden ist, eine sehr große Wirksamkeit des Ableiters mit sich. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für Ableiter, die nur mit einer verhältnismäßig niedrigen Spannung belastet werden, ist in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Zahl der zusätzlichen ZnO-Scheiben, die nebenzuschließen sind, verringert. Eine einzige ZnO-Scheibe 19 und eine SiC-Scheibe 25 befinden sich im Nebenschluß zu der Funkenstrecke 20, die sowohl die Eigenschaften der Steuerfunkenstrecke als auch diejenigen der Nebenschlußfunkenstrecke aufweist. Die Wirkungsweise der ZnO-Scheibe 19 und der SiC-Scheibe 25 gleicht derjenigen der Scheiben 19b und 25 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.

Die Spannungsbelastung eines Ableiters bestimmt die Zahl der Scheiben, die erforderlich sind, um eine ausreichende Stabilität des Varistors herbeizuführen. Bei einem Ableiter mit einer verhältnismäßig großen Spannungsbelastung ist die Zahl der ZnO-Scheiben, die nebenzuschließen sind, demgemäß verhältnismäßig groß. In einem Hochspannungsabieiter wird im allgemeinen mehr als eine Nebenschlußeinheit 18 benötigt. Sechs ZnO-Scheiben 19 erfordern z.B. drei Nebenschlußeinheiten 18. Drei Steuerfunkenstrecken 20b sind ebenfalls erforderlich, so daß eine Art Überfluß an Nebenschlußfunkenstrecken entsteht. Fig. 4 zeigt, daß die erste von mehreren Nebenschlußeinheiten 18 an der 300 Amperes-Sicherheitsgrenze aus dem Ableiter 10 herausgenommen werden kann. Die Herausnahme eine ersten Nebenschlußeinheit 18 verringert die Ableiter-

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spannung in einem solchen Maße, daß die verbleibenden Nebenschlußeinheiten 18 nicht notwendig zum Überschlag kommen, bis die Ableiterstromstärke 300 Amperes um einen vorgeschriebenen Betrag übersteigt, d.h. ein Ableiter 10 mit mehreren Nebenschlußeinheiten 18 enthält einen ihm innewohnenden Sicherheitsfaktor, wozu eine der Steuerfunkenstrecken 20b bei der vorbestimmten Spannungsgröße zum Überschlag kommen muß, während die Überschlagspannung der verbleibenden Funkenstrecken 20 diese Größe um einen gewissen Betrag übersteigen kann. Ein anderes Ausführungsbeispiel für die Verwendung von mehreren Nebenschlußeinheiten 18, wie in Fig. 3, ist in Fig. 6 dargestellt, bei dem eine einzige Steuerfunkenstrecke 20b die übrigen Nebenschlußfunkenstrecken 2Oa₁ bis 20a kaskadenartig steuert. Im Gegensatz zu der Ausfuhrungsform nach Fig. wird hier nur eine einzige Steuerfunkenstrecke 20b verwendet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 haben die Elemente 19b, 25 und 20b die gleiche Wirkungsweise wie die Elemente 19b, 25 und 20b des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3. Die Elemente 19a.. , 2Oa₁, 19a„ ^{und 2Oa}2 ^entsP^rechen ebenfalls den Elementen 19a und 20a des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3. Für den Ableiter 10 gemäß Fig. 6 für eine große Spannung sind mehrere Kondensatoren 26 an die Kopplungswiderstände 22 angeschlossen, so daß, wenn die Steuerfunkenstrecke 20b überschlägt, die übrigen Funkenstrecken 2Oa₁ bis 20a kaskadenförmig Überspannung erhalten und den Überschlag vollziehen. Dies kommt zustande, weil jeder Kondensator 26 in Übereinstimmung mit der den ZnO-Scheiben 19a.. bis 19a innewohnenden Kapazität wirksam wird und die Spannung an der unteren Elektrode Q jeder Funkenstrecke 2Oa₁ bis 20a festgehalten wird, bis die folgende Funkenstrecke zum überschlagen kommt. Der Vorteil des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6 gegenüber

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einem Mehrfachen der Ausführungsform gemäß Fig. 3 besteht darin, daß anstelle mehrerer ZnO-Scheiben 19a.. bis 19a nur eine einzige SiC-Scheibe 25 verwendet zu werden braucht. Hierdurch kommt eine wesentliche Verringerung des Raumbedarfs bei einem Hochspannungsablexter zustande.

Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 3, 5 und 6 wird die einzige SiC-Scheibe 25 dazu verwendet, um den Exponenten der ZnO-Scheibe 19 zu verkleinern, der von der Steuerfunkenstrecke 20b nebengeschlossen wird. Die gleiche Gesamtwirkung kann erzielt werden, wenn der Exponent der ZnO-Scheibe selbst in dem wirksamen Stromkreis verkleinert wird. Es ist an sich bekannt, daß durch Dopen des basischen ZnO-Materials in einem ZnO-Varistor mit kleinen Mengen von Lithium eine Vergrößerung des elektrischen Kornwiderstandes erzeugt werden kann, durch die bei großen Stromstärken der Exponent η herabgesetzt wird, ohne daß die Charakteristiken bei niedrigen Stromstärken beeinflußt werden. Ein in geeigneter Weise gedopter ZnO-Varistor kann demgemäß dazu verwendet werden, die Kombination einer ZnO-Scheibe und einer SiC-Scheibe gemäß der Erfindung zu ersetzen.

Es können auch andere Materialien dazu verwendet werden, um den wirksamen Exponenten η zu verkleinern, wenn der gedopte Zinkoxid-Exponent kleiner ist als der ungedopte Zinkoxid-Exponent. Für die Zwecke der Erfindung ist ein Verhältnis der Exponentgrößen von mindestens 2 : 1 erforderlich. Das Material mit dem großen Exponenten η muß einen Exponenten von mindestens 10 aufweisen, während das Material mit dem kleinen Exponenten η einen Exponenten aufweisen muß, der größer als 1 und kleiner als 10 ist.

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Obwohl der überspannungsableiter gemäß der Erfindung bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen zum Schutz von elektrischen Einrichtungen dient, kann der Ableiter gemäß der Erfindung auch zum Schutz irgendwelcher anderer Einrichtungen gegen unerwünschte elektrische Überspannungen, wie sie z.B» bei der Entstehung von Blitzen auftreten, verwendet werden.

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Scherrmann Dr.-lng. R. Rüger

7300 Esslingen (Neckar). Webergasse 3, Postfach

17. Januar 1979 _Telefon

PA 145 naeh Stuttgart (0711)35 65

35 9619 Telex 07 256610 smru

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Patentansprüche

/ 1. ^Überspannungsableiter, gekennzeichnet durch die Kombi-V /nation mindestens eines Netzleitung und Erde verbindenden Varistors (17) aus einem einen großen Exponenten

η in der Beziehung I = kVⁿ enthaltenden Material mit mindestens einem mit ihm in Reihe geschalteten Varistor (19) aus einem Material mit einem kleinen Exponenten η und mit mindestens einer Funkenstrecke (20), die den Varistor (19) mit dem kleinen Exponenten η und einen Teil des Varistors (17) mit dem großen Exponenten η in den Nebenschluß legt, um die Spannung an dem Ableiter (10) während des Auftretens einer überspannung zu verringern.
2. überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Varistor (19) aus einem Material mit einem kleinen Exponenten η mindestens ein weiterer Varistor (25) aus einem Material mit einem großen Exponenten η in Reihe geschaltet ist.
3. überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Größe des großen Exponenten η zu der Größe des kleinen Exponenten η mindestens 2 : 1 ist.

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4. überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der große Exponent η größer als 10 ist.
5. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kleine Exponent η kleiner als 10 ist.
6. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (17) aus dem Material mit dem großen Exponenten η aus Zinkoxid und der Varistor aus dem Material mit dem kleinen Exponenten η aus Silizium-Karbid besteht.
7. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit dem großen Exponenten η Zinkoxid enthält und das Material mit dem kleinen Exponenten η Zinkoxid enthält, das mit einem den Exponenten erhöhenden Zusatzmittel gedopt ist.
8. überspannungsableiter, gekennzeichnet durch die Kombination mindestens eines Netzleitung und Erde in Verbindung setzenden-Varistors (17) aus einem einen ersten Exponenten η in der Beziehung I = kV enthaltenden Material, der bei Auftreten einer Überspannung den Stoßstrom von der Netzleitung zur Erde ableitet, mit mindestens einem zweiten Varistor (17) aus einem Material mit einem zweiten Exponenten η , der mit dem ersten Varistor (17) in Reihe geschaltet ist und dessen Materialexponent η kleiner ist als der Materialexponent η des ersten Varistors, um in dem zweiten Varistor (19) einen schnelleren Spannungsanstieg zu erzeugen als im ersten Varistor

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(17) und weiterhin mit einer im Nebenschluß liegenden
Funkenstrecke (20) mit einer vorbestimmten Überschlagspannung gegenüber dem ersten und dem zweiten Varistor (17, 19).
9. Überspannungsableiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Überschlagspannung der
Funkenstrecke (20) bei einer StoßStromstärke zwischen
1O und 1000 Amperes auftritt.
10. Überspannungsableiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Überschlagspannung mindestens 5% der Ableiterspannung beträgt.
11. überspannungsableiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Exponent η des ersten Varistors (17) mindestens zweimal größer ist als der Exponent η des zweiten Varistors (19).

«η π/-σ7"3-4