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Überspannungsableiter mit spannungsabhängig stromdurchlässigem. Widerstandsblock
aus Siliciumkarbid Zum Aufbau der spannungsabhängig stromdurchlässigen Widerstandsblöcke
für die insbesondere in Hochspannungsanlagen verwendeten überspannungsableiter hat
man bereits als Grundstoff Siliciumkarbid, namentlich in Kristallform verwendet.
Dabei waren die einzelnen Kristalle oder Körner entweder lose zwischen zwei Endelektroden
in einem Isolierrohr zusammengepreßt oder mit einem Bindemittel, vorzugsweise durch
keramische Bindung, zu einem festen Körper vereinigt.
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Die Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung solcher spannungsabhängig
stromdurchlässiger Materialien, vor allem hinsichtlich Erhöhung der Widerstandsfähigkeit
gegenüber hohen und langdauernden Ableitströmen und hinsichtlich Erhöhung der Lebensdauer.
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In den Figuren sind Ableiter mit spannungsabhängig stromdurchlässigen
Materialien nach der Erfindung als Ausführungsbeispiele gezeigt. Bei dem Ableiter
nach Fig. z ist das Siliciumkarbid in Form loser Körner verwendet, bei dem nach
Fig. 2 in Form keramischer Blöcke.
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Legt man an die Widerstandssäule Spannung an, so wird der sie durchfließende
Strom durch den inneren Widerstand der
Kristalle und den äußerem
Übergangswiderstand zwischen den Kristallen begrenzt. Der durch den Übergangswiderstand
hervorgerufene Teil des gesamten Spannungsabfalles ist relativ stromunabhängig oberhalb
des Abreißstromes von etwa 25 A, während der Teil des Spannungsabfalles, der durch
den Stromfluß durch die Kristallkörper hindurch hervorgerufen wird, stromabhängig
ist.
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Die rauhe, unregelmäßige Gestalt der Siliciumkarbidkristalle in Verbindung
mit deren harter, unelastischer Beschaffenheit führt zu kleinflächigen, sogenannten
punktförtnigen Berührungen der Kristalle untereinander, so daß, wenn die gesamte
am Ableiter liegende Spannung gering ist, praktisch die gesamte Spannung von diesen
punktförmigen Kontaktstellen aufgenommen wird. Steigt nun die Spannung, so steigt
auch der Strom, der über diese punktförmigen Kontaktstellen fließt, bis zum Erreichen
eines bestimmten kritischen Werts der Spannung; nun tritt auf einmal eine starke
Stromkonzentration an diesen Punkten eist, die zu Sprüherscheinungen an den Übergangsstellen
zwischen den Kristallen führt und die Säule zum Führen hoher Entladungsströme befähigt,
ohne daß die Spannung an diesen Übergangsstellen noch weiter wesentlich ansteigt.
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Ist nun der Stromstoß von verhältnismäßig langer Dauer, so neigen
diese Sprüherscheinungen dazu, ein Kristall vollständig zu umgeben, zu überbrücken
oder daran vorbeizulaufen, so daß dieses Kristall aus der Säule hinsichtlich seiner
Wirksamkeit ausscheidet. Das übliche Ableiterelement besteht nun aus einer großen
Zahl von Kristallen, so daß der Strom von einer Endelektrode zur anderen über eine
große Zahl parallel geschalteter Pfade fließt, von denen jeder aus einer Säule von
Kristallen besteht. Diese parallelen Strompfade hängen fest miteinander zusammen,
einmal an den Endelektroden, dann aber auch an dazwischenliegenden Stellen dadurch,
daß sich die Kristalle seitlich berühren. Wenn nun ein einzelnes Kristall in einer
dieser einander parallel geschalteten Säulen durch einen Überschlag kurzgeschlossen
wird, der von einer verhältnismäßig langdauernden Beanspruchung herrührt oder von
einer besonders hohen Stromstärke des Entladungsstroms, so nimmt der Widerstand
dieser Kristallsäulen gegenüber dem der übrigen Kristallsäulen ab, was zu einer
Stromkonzentration führt. Dadurch werden die Kontaktbedingungen anderer Kristalle
in der gleichen Säule verändert, und hierdurch wird das Schadhaftwerden der Gesamtsäule
beschleunigt. Das Ableiterelement wird dann von einem Entladungsstrompfad niedrigen
Widerstandes durchsetzt und dadurch unbrauchbar. Es wurde gefunden, daß die Wahrscheinlichkeit
des Eintretens dieser Erscheinung von der Entladungsdauer sowie auch von der Größe
des Entladungsstromes abhängt, und daß es zwei :Mittel gibt, um das Schadhaft-«-erden
der Ableiterkristalle bei langdauernd2n -Entladungen zu verhüten oder zu verzögern.
Einmal wurde gefunden, daß die Überschläge bei zunehmender Korngröße des Siliciutnkarbids
schwerer eintreten, so daß also z. B. ein Ableiterelement aus 6o--\Iaschen-Siliciumkarbidkristallen
widerstandsfähiger gegen langdauernde Entladungen ist als ein Ableitereletn,ent
aus roo-Maschett-Siliciumkarbidkristallen. Ferner wurde gefunden, daß es vorteilhaft
ist, die Hohlräutne oder Lücken zwischen den größeren oder den hauptsächlich kontaktgebenden
Kristallen mit einem lichtbogenbeständigem Material auszufüllen, das das Anwachsen
der an den Übergangsstellen auftretenden Sprüherscheinungen im wesentlichen unterdrückt.
Dieses zum-Ausfüllen der Hohlräume dienende Material kann entweder fein verteiltes
lockeres Material sein, wie Siliciumkarbidkristalle von weniger als 250 Maschen,
vorzugsweise von etwa 325 XIaschen, oder sogar noch feineres Pulver, wie 6oo-1laschen-Siliciumkarbidkristalle.
Oder aber das zum Ausfüllen verwendete Material kann schwer schmelzendes, relativ
isolierendes 1-Iaterial wie Kieselstein sein, also ein anderes Siliciumkarbid. In
erster Linie kommt bei Ableitereletnenten mit lose eingefülltem Siliciumkarbid das
noch feinere Siliciumkarbid als Füllmittel in Betracht.
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Bei gepreßten Siliciumkarbidblöcken kann das feine, die Hohlräume
zwischen den Kristallen ausfüllende Material zugleich das Bindemittel sein, welches
die Siliciumkarbidteilchen in dem festen Körper zusammenhält. Hier wurde überraschenderweise
in Verbindung mit dem zeitabhängigen Sprühen in den Hohlräumen zwischen den Kristallen
eine grundsätzliche Ursache für das Auftreten von Fehlern bei Ableiterblöcken gefunden.
Es wurde gefunden, daß Wasserglas, das seit vielen Jahren häufig als Bindemittel
für die Siliciumkarbidkristalle in Ableitersäulen verwendet wurde, kein hitzebeständiges
Bindemittel ist, das als Füllmittel zum Ausfüllen von Hohlräumen zwischen den Kristallen
geeignet wäre, um das Sprühen in diesen Hohlräumen zu unterdrücken. Andererseits
sind auch die bekannten tongebundenen Blöcke für den vorliegenden Zweck nicht geeignet,
da sie eine sehr große Menge von Ton im Vergleich zu der Menge an Siliciumkarbidkristallen
enthalten, so daß diese Kristalle verhältnismäßig weit voneinander weg liegen. Diese
bekannten Tonblöcke besitzen eine gewisse Porosität und leitendes Material in
Form
von Kohle od. dgl. ist zugesetzt oder es sind die Poren in dem Ton mit einem leitenden
Überzug versehen, der die in einem Abstand voneinander befindlichen Siliciumlarbidteilchen
miteinander verbindet. Die bekannten tongebundenen Blöcke sind nur verhältnismäßig
wenig geeignet, langdauernden Entladungsströmen zu widerstehen.
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Andererseits wurde gefunden, daß ein keramisches Bindemittel bedeutend
besser als Wasserglas eine hohe Lebensdauer und eine hohe Fähigkeit zum Abführen
stromstarker und langdauernder Entladung gewährleisten kann, wenn es in einer solchen
Menge angewendet wird, die gerade ausreicht, um die Hohlräume oder Spalte zwischen
den Siliciumkarbidkristallen auszufüllen. Ein praktischer Weg hierzu besteht darin,
den Ton oder das sonstige keramische Bindemittel nur in einer solchen Menge anzuwenden,
daß der Block beim Brennen nicht mehr merklich schwindet.
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In Fig. i ist i ein Porzellangehäuse, 2, 3 sind Anschlußleitungen,
4, 11 sind die Endelektroden, zwischen denen sich das Gemisch 6 aus Siliciumkarbidkristallen
in Form einer lose zusammengepreßten Masse befindet. 14 sind die Elektroden einer
Löschfunkenstrecke und 15 eine Vorfunkenstrecke. 16 ist eine Druckfeder und 17 eine
leitende Endplatte.
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Die Korngrößen der in dem Gemisch 6 verwendeten Siliciumkarbidkristalle
verhalten sich etwa wie 1 :3. Die gröberen Kristalle haben vorzugsweise eine
Korngröße von etwa 8o Maschen. Günstige Ergebnisse zeigte die Verwendung von ioo
Volumteilen 4o-Maschen-Siliciumkarbidkristalle und 3o Teilen 325-Maschen-Siliciumkarbidkristalle;
oder mit ioo Teilen 6o-Maschen-Siliciumkarbidkristalle und So, Teilen 325-Maschen-Siliciumkarbidkristalle.
Noch günstigere Ergebnisse sind bei Verwendung noch feinerer Korngrößen für die
feineren Kristalle zu erwarten, z. B. bei Verwendung von 6oo-Maschen-Siliciumkarbid.
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Bei der Anordnung nach Fig. 2 sind wieder i das Gehäuse, 2; 3 die
Anschlüsse, 14, 15 die Funkenstrecken, 16 die Druckfeder und 17 eine Endelektrode.
Das spannungsabhängig stromdurchlässige Material ist hier in Form von Blöcken 26
angeordnet. Das Siliciumkarbid hat eine Korngröße von etwa 6o, 8o oder ioo Maschen.
Mischungen von verschiedenen Korngrößen kommen auch hier in Betracht.
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Der als keramisches Bindemittel verwendete Ton wird etwa in Mengen
von 3o bis 4o Gewichtsprozent der zu pressenden Masse zugesetzt. Die günstigste
,Menge des Tons ist diejenige, die im höchsten Falle zugesetzt werden kann, ohne
daß der Block beim Brennen merklich schwindet. D,z!r Ton und das Siliciumkarbid
werden miteinander gemischt, und zwar mit einem kleinen Zusatz von Wasser. Danach
wird die Masse in Blöcke gepreßt und in einem Ofen in einer nicht oxydierenden oder
reduzierenden Atmosphäre gebrannt.