CH646821A5 - Ueberspannungsableiter. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsabieiter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

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 = kVn 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 Ampere 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 Abieitern aus dem Material mit dem kleinen Exponenten in Reihe geschaltete Funkenstrek-ken verwendet, bei denen zwischen 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 Funkenstrek-ken einen Überschlag hervorrief.

Die Zinkoxid-Varistoren weisen einen Exponenten n 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 Ampere ausgesetzt ist, die Spannung auf eine Grösse begrenzt, die nur etwa 10% höher ist als die Sicherheitsspannung der besten Abieiter, die Ventilelemente aus Silizium-Karbid verwenden. Mit anderen Worten, ermöglicht es die Verwendung eines Zinkoxids-Varistors einen Überspannungsabieiter herzustellen, der keine Funkenstrecken aufweist und der einen Schutz erzeugen kann, der innerhalb von 10% von demjenigen liegt, der durch moderne übliche Abieiter 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 Abieiter, ist es notwendig, in dem Entladungsstromkreis 10% oder mehr des gesamten Varistormaterials während der Überspannungsentladungen, z.B. der Entstehung von Blitzen, 10% 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 Funkenstrecken zum Überschlagen gebracht werden, wenn der durch den Abieiter hindurchgehende Entladungsstrom die Grösse von einigen hundert 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, veröffentlicht am 16. Mai 1967, beschrieben.

Es ist erwünscht, dass die Grösse der Spannung an dem Abieiter, bei welcher die parallel geschalteten Funkenstrek-ken zum Überschlag kommen, sehr genau bemessen werden. Das heisst, es ist zu fordern, dass sie zum Überschlag komm-men, 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 Abieiter besser in der Lage ist, von dem System aufgenommenen Überspannungen oberhalb der normalen Grösse, jedoch unterhalb der Sicher-heitsgrösse, ohne Schaden zu widerstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Überspannungsablei-ter der vorgenannten Art zu schaffen, bei dem die Überschlagspannungen der Funkenstrecken genau bestimmbar sind. Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Überspannungsleiter gekennzeichnet durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den

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abhängigen Ansprüchen.

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

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

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

Fig. 3 einen Überspannungsabieiter 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 Überspannungsabieiters gemäss der Erfindung in schematischer Darstellung und

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

Der Überspannungsabieiter 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 Abieiter 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 Abieiter 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 Milliampère 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 Abieiter 10 gegen Erde entstehende Spannung zur Folge, dass die Zinkoxidelemente in den Blöcken 17 und 19 eine grössere Leitfähigkeit annehmen. Da die von dem Abieiter 10 zu schützende Einrichtung zu diesem parallel geschaltet ist, tritt an der zu schützenden Einrichtung der gleiche Überspannungszustand auf. Der Zweck des Abieiters 10 besteht demgemäss darin, grosse Stossströme, die bei starken Überspannungen entstehen, über den Abieiter 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 Abieiter 10 kommt eine schnelle und erhebliche Vergrösserung der Stromstärke in dem Abieiter zustande entsprechend der oben erörterten Beziehung I = CVn. Die Spannung am Block 19 steigt direkt proportional zu dem Anstieg der Spannung an dem gesamten Abieiter 10, weil der mit einem Nebenschluss versehene Ventilblock 19 und der in Reihe liegende Ventilblock 17 den gleichen Charakteristikexponenten n aufweisen. Die einfache Funkenstrecke 20 ist derart eingestellt, dass, wenn eine vorbestimmte Spannung, welche die gleiche Grösse hat, wie die Sicherheitsspannung das entsprechenden Abieiters, 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 Abieiter 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 Abieiter 10. Jede Änderung der Überschlagspannung der Funkenstrecke 20 verursacht eine direkt proportionale Veränderung der Spannung an dem gesamten Abieiter, bei welcher der Überschlag eintritt. Wegen der unerwünschten Unsicherheit bezüglich der Grösse der Ableiterspannung, bei welcher der Funkenüberschlag eintritt, ist es notwendig, einige weitere 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 Abieiter 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 Abieiter 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 Stromkreis ausgeschaltet, während der Hochspannungsteil des Stossstromes durch den Abieiter 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 Abieiter 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

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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.

Ein Nachteil der bekannten Schaltung gemäss Fig. 2 besteht darin, dass sie verwickelt ist, indem sie zwei Funkenstrecken 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 Abieiters gemäss der Erfindung nach den Fig. 3, 5 und 6 gleicht insofern der Gestaltung des Abieiters nach den Fig. 1 und 2, als ein Hauptventilblock 17 in Reihe mit einer nebenzuschlies-senden 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 Funkenstrecke 20 auf, die für die gleichen Funkenüberschlagszwecke dient wie bei den bekannten Abieitern 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 = CVn entspricht. Wegen dieses unproportional schnellen Anstiegs der Stromstärke und weil die SiC-Varistorscheibe 25 einen viel kleineren Exponenten besitz (n « 4 bis 5) als die ZnO-Scheiben 17 und 19 (n«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-Varistor-scheiben 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 17 mit einem grossen Exponenten gemäss Fig. 3 hat zur Voraussetzung, dass die Spannung an dem Ableiter 10 gleich der Sicherheitsspannungsgrösse des Abieiters 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 1 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 Ampere 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 Abieiters 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 l,39fache seiner Beanspruchung während der 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 l,39fachen 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 Ampere nähert. Wenn die Stromstärke in dem Ableiter 300 Ampere erreicht, beträgt die Spannung an der Steuerfunkenstrecke 20b das 0,121fache der Ableiterbeanspruchung, wie dies durch die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 4 angegeben ist. Die Spannung an der Nebenschlussfunkenstrecke 20a beträgt das 0,06fache 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 0,18lfachen 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 Abieiter-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 Funkenstrecke 20b auf eine maximale Überschlagsspannungs-grösse eingestellt werden, die dem 0,121fachen der Ableiterbeanspruchung entspricht, die einer Ableiterstromstärke von 300 Amperes gleichkommt und einer Spannung an dem gesamten Ableiter von dem l,39fachen der Ableiterbeanspruchung. Wenn der Steuerfunkenstrecke 20b eine Überschlagsspannungstoleranz von 10% zugebilligt wird, beträgt die kleinste Überschlagsspannung das 0,1 lOfache der Ableiterbeanspruchung. Die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 4 zeigt,

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dass dieser Überschlag bei einer Ableiter-Stromstärke von 185 Ampere stattfindet, wobei, wie die Kennlinie 5 zeigt, die Spannung an dem gesamten Ableiter das l,35fache der Ableiterbeanspruchung beträgt. Bei einer Abweichung von 10% der Grösse der Überschlagsspannung der Steuerfunkenstrecke 20b 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 25 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 20b des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 3 miteinander verbunden sind. Da das Mass der Nichtlinearität einer Varistorscheibe in Beziehung zu der Grösse des Exponenten n steht, ist eine Reihe von Diagrammen entwickelt worden, um die Auswirkung des Exponenten n 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 Veränderung der Überschlagspannung der Nebenschlussfunkenstrecke das Zustandekommen eines Überschlags im Bereich von 10% der Ableiterspannung. Die Ausführungsform nach den Fig. 3, 5 und 6, die sowohl ZnO-Scheiben (n«25) als auch SiC-Scheiben (n«4,5) verwenden, bringen, wie dies oben beschrieben worden ist, eine sehr grosse Wirksamkeit des Abieiters 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 Abieiters 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 Steuerfunkenstrek-ken 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-Am-pere-Sicherheitsgrenze aus dem Ableiter 10 herausgenommen werden kann. Die Herausnahme einer ersten Nebenschlusseinheit 18 verringert die Ableiterspannung in einem solchen Masse, dass die verbleibenden Nebenschlusseinheiten 18 nicht notwendig zum Überschlag kommen, bis die Ableiterstromstärke 300 Ampere 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 20ai bis 20an kaskadenartig steuert. Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 3 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 19ai, 20ai, 19a2 und 20a2 entsprechen 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 angeschlosen, so dass, wenn die Steuerfunkenstrecke 20b überschlägt, die übrigen Funkenstrecken 20ai bis 20an kaskadenförmig Überspannung erhalten und den Überschlag vollziehen. Dies kommt zustande, weil jeder Kondensator 26 in Übereinstimmung mit der den ZnO-Scheiben 19ai bis 19an innewohnenden Kapazität wirksam wird und die Spannung an der unteren Elektrode Q jeder Funkenstrecke 20ai bis 20ap festgehalten wird, bis die folgende Funkenstrecke zum Überschlagen kommt. Der Vorteil des Ausführungsbeispiels gemäss Fig. 6 gegenüber 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 Hochspannungsabieiter 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 n 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 n 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 n muss einen Exponenten von mindestens 10 aufweisen, während das Material mit dem kleinen Exponenten n einen Exponenten aufweisen muss, der grösser als 1 und kleiner als 10 ist.

Obwohl der Überspannungsabieiter 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.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

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1. Überspannungsabieiter mit mindestens einem ersten Netzleitung und Erde verbindenden Varistor (19) aus einem in der Beziehung I = kV" einen ersten Exponenten n aufweisenden Material, welcher erste Varistor (19) beim Auftreten einer Überspannung den Stossstrom von der Netzleitung zur Erde ableitet, und mindestens einem zweiten Varistor (25) aus einem einen zweiten Exponenten n aufweisenden Material, welcher zweite Varistor (25) mit dem ersten Varistor (19) in Reihe geschaltet ist, wobei der zweite Exponent kleiner ist als der erste Exponent, um in dem zweiten Varistor (25) einen schnelleren Spannungsanstieg zu erzeugen als im ersten Varistor (19), gekennzeichnet durch die Anordnung mindestens einer Funkenstrecke (20) im Nebenschluss zum ersten und zweiten Varistor (19,25) zum Abzweigen von Strom, um die Spannung am Überspannungsabieiter (10) während des Auftretens einer Überspannung zu verringern.

2. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum ersten und zweiten Varistor (19, 25) im Nebenschluss liegende Funkenstrecke (20) eine vorbestimmte Überschlagspannung aufweist, wenn eine dieser Überschlagspannung gleiche Spannung an dieser Funkenstrecke erscheint.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Überspannungsabieiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Überschlagspannung bei einer Stossstromstärke zwischen 10 und 1000 Ampere auftritt.

4. Überspannungsabieiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Überschlagspannung mindestens 5% der Spannung am Überspannungsabieiter beträgt.

5. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer erster Varistor (19b) mit dem zweiten Varistor (25) in Reihe geschaltet ist, um dessen Kennlinie anzuheben.

6. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des ersten Exponenten zum zweiten Exponenten mindestens 2 beträgt.

7. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Exponent grösser als 10 ist.

8. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Exponent kleiner als 10 ist.

9. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des ersten Varistors (19) Zinkoxid und das Material des zweiten Varistors (25) Silici-umcarbid aufweist.

10. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des ersten Varistors (19) Zinkoxid und das Material des zweiten Varistors (25) ein mit einem den Exponenten modifizierenden Zusatzmittel dotiertes Zinkoxid aufweist.