DE2902006C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit den Merk
malen des Oberbegriffs des Hauptanspruches.
Aus der DE-OS 26 47 233 ist ein gattungsgemäßer Überspannungsab
leiter bekannt, der Zinkoxidvaristoren mit einem großen Exponenten
aufweist. Der Ausdruck "Exponent" bedeutet hierbei die Größe
des Stromstärke-Spannungs-Exponenten "n" der Spannung
in der Stromstärke-Spannungsbeziehung eines nichtlinearen Wi
derstandes, die aus der Gleichung I = kV n 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. Sili
zium-Karbid, hatte einen Exponenten von 4 bis 5, der zu klein
war, um es zu ermöglichen, daß der Varistor dauernd und un
mittelbar zwischen der Netzleitung und Erde angeordnet wurde.
Wenn demgemäß die Varistorimpedanz derart bemessen wurde, daß
die Entladespannung bei einer Stromstärke von 10 000 A,
infolge eines Blitzstoßstromes auf einen praktikablen Wert
begrenzt wurde, war bei der normalen Betriebsspannung die
Stromstärke immer noch ausreichend, um eine Überhitzung und in
folge des Wärmedurchgangs schließlich einen Ausfall zu ver
ursachen. Aus diesen Gründen wurden in Verbindung mit den
Ableitern aus dem Material mit dem kleinen Exponenten in
Reihe geschaltete Funkenstrecken verwendet, bei denen zwi
schen 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 liegen
den Funkenstrecken 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 A ausgesetzt
ist, die Spannung auf eine Größe begrenzt, die nur etwa 10%
höher ist als die Sicherheitsspannung der besten Ableiter,
die Varistoren aus Silizium-Karbid verwenden. Mit ande
ren Worten, ermöglicht es die Verwendung eines Zinkoxids-Va
ristors einen Überspannungsableiter herzustellen, der ohne
Funkenstrecken eine Sicherheitsspannung erzeugen kann, die
nur um 10% von dem abweicht, was durch modernde übliche Ab
leiter erreichbar ist, bei denen Silizium-Karbid-Va
ristoren 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 Entladungs
stromkreis 10% oder mehr des gesamten Varistormaterials wäh
rend der Überspannungsentladungen, z. B. der Entstehung von
Blitzen, zu überbrücken oder aus dem Entladungs
stromkreis 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 beim Auftreten
einer Überspannung der durch den Ableiter hin
durchgehende Entladungsstrom die Größe von einigen hundert Ampere
erreicht.
Darüber hinaus ist die Verwendung von Varistoren mit einem klei
nen Materialexponenten mit parallel angeordneten Funkenstrecken
aus der CH-PS 4 65 702 bekannt.
Es ist erwünscht, daß die Größe der Spannung an dem Ableiter,
bei der die parallelgeschalteten Funkenstrecken zum
Überschlag kommen, sehr genau bemessen ist. 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, ohne Schaden
zu nehmen, solchen Überspannungen zu widerstehen, die ober
halb der normalen Größe, jedoch unterhalb der Sicherheits
größe liegen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Überspannungsableiter der
vorgenannten Art zu schaffen, bei dem die Überschlagspannungen
der Funkenstrecken genau bestimmbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Überspannungs
ableiter mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstan
des der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 einen zum Stand der Technik gehörigen Überspannungs
ableiter 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 Va
ristor und der Spannung in graphischer Darstellung,
Fig. 5 eine andere Ausführungsform des Überspannungsablei
ters gemäß der Erfindung in schematischer Darstel
lung und
Fig. 6 eine Abwandlung des Überspannungsableiters gemäß
Fig. 5 in der gleichen Darstellungsart.
Der aus der DE-OS 26 47 233 bekannte Überspannungsableiter 10
besteht nach Fig. 1 aus einem Porzellangehäuse 11 mit einer
oberen Endanschlußkappe 12 und einer unteren Endabschlußkappe
13. Der Ableiter 10 enthält weiterhin in dem Gehäuse 11
einen Varistorblock 17, der aus mehreren Varistorschei
ben aus Zinkoxid besteht, die in Reihe geschaltet sind. In
dem Gehäuse 11 ist weiterhin ein mit einem Nebenschluß ver
sehener Varistorblock 18 enthalten, der in erster Linie wie
derum aus mehreren Varistorscheiben 19 aus Zinkoxid besteht,
die elektrisch in Reihe geschaltet sind, und dem eine einfache
Funkenlöschstrecke 20 zugeordnet ist, 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 un
teren Endanschlußkappe 13 und einer Leitung 16 zustande. Da
sowohl der Varistorblock 17 als auch der mit einem Neben
schluß versehene Varistor 19 dauernd zwischen der Netz
leitung 15 und Erde liegen, fließt ununterbrochen ein klei
ner Varistorstrom sowohl durch den Varistorblock 17 als
auch durch den mit einem Nebenschluß versehenen Varistor 19.
Der sehr große Exponent der Zinkoxidvaristoren stellt
sicher, daß ein Strom in der Größe von nur wenigen Milli
ampere durch den Varistorblock 17 und den mit einem Ne
benschluß versehenen Varistor 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 Varistoren eine grö
ßere Leitfähigkeit annehmen. Da die von dem Ableiter 10 zu
schützende Einrichtung zu diesem parallel geschaltet ist,
tritt an der zu schützenden Einrichtung der gleiche Über
spannungszustand auf. Der Zweck des Ableiters 10 besteht
demgemäß darin, große Stoßströme, die bei starken Überspan
nungen entstehen, über den Ableiter 10 zur Erde umzulei
ten, um eine Beschädigung der zu schützenden Einrichtung zu
verhindern, indem die Spannung begrenzt wird, der die
Einrichtung ausgesetzt ist. Das wird auf folgende Weise be
wirkt:
Beim Auftreten einer Überspannung an dem Ableiter 10 kommt
eine schnelle und erhebliche Vergrößerung des Stromes
in dem Ableiter entsprechend der oben erörterten Bezie
hung I = kV n zustande. Die Spannung am Varistor 19 steigt direkt
proportional zu dem Anstieg der Spannung an dem gesamten
Ableiter 10, weil der mit einem Nebenschluß versehene
Varistor 19 und der in Reihe liegende Varistorblock 17 den
gleichen Exponenten n aufweisen. Die ein
fache 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 Varistor 19 als
auch an der Funkenstrecke 20 besteht, zusammenbricht, wenn
an der Funkenstrecke 20 ein Lichtbogen auftritt. Die Herab
setzung der Spannung an dem Ableiter 10 verringert schnell
auch die Größe der Spannung, die an der zu schützenden Ein
richtung besteht und verhindert den Durchschlag von deren
dielektrischen Materialien infolge einer Hochspannungsbe
lastung.
Bei dem Stromkreis gemäß Fig. 1 ist die Spannung an dem mit
einem Nebenschluß versehenen Varistor 19 immer direkt
proportional zu der Spannung an dem Ableiter 10. Jede Ände
rung der Überschlagspannung der Funkenstrecke 20 verursacht
eine direkt proportionale Veränderung der Spannung an dem
gesamten Ableiter, bei welcher der Überschlag eintritt. We
gen der unerwünschten Unsicherheit bezüglich der Größe der
Ableiterspannung, bei welcher der Funkenüberschlag ein
tritt, ist es notwendig, einige weitere Schaltmittel vor
zusehen, um eine konstantere Überschlagsspannungscharakte
ristik zu erzielen.
Schaltmittel der vorgenannten Art, mit deren Hilfe genauere Über
schlagspannungsbedingungen zu erzielen sind, sind aus Fig. 2 zu entnehmen. Der
ebenfalls aus der DE-OS 26 47 233 bekannte Ableiter 10 gleicht weit
gehend demjenigen nach Fig. 1, und zur Bezeichnung gleicher
Teile sind die gleichen Bezugszeichen verwendet worden. Der
Hilfsvaristorblock 18 enthält eine zusätzliche Funkenstrecke
21, die eine Steuerkontrolle darstellt, einen Kopplungswiderstand
22, einen linearen Widerstand 23 und einen Einstellkondensa
tor 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 zwi
schen dem linearen Widerstand 23 und dem Varistor 19.
Wenn an dem Ableiter 10 eine Stoßspannung auftritt, wird die
Spannung an dem Widerstand 23 über den Kopplungswiderstand 22
auf die Steuerfunkenstrecke 21 übertragen, deren Abstand auf
eine vorbestimmte Überschlagspannung eingestellt ist. 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 Steuerfunken
strecke 21 plötzlich eine Überspannung erhält. Sowohl der Widerstand
23 als auch der Varistor 19 sind demgemäß aus dem Stromkreis
ausgeschaltet, während der durch die auftretende Überspannung
bedingte Ableitstrom durch den Ableiter 10 fließt. Die Wirkungs
weise des Kopplungswiderstandes 22, des Widerstandes 23 und
des Einstellkondensators 24 sind in der oben erwähnten DE-OS
26 47 233 folgendermaßen beschrieben:
Die Größe des Widerstandes 23 ist derart gewählt, daß die Span
nung an ihm etwa die gleiche ist wie diejenige an dem Varistor
19 zu der Zeit, wenn sich die Ableiterspannung der Sicherheits
größe nähert und es erwünscht ist, den Varistor 19 und den mit
ihm in Reihe liegenden Widerstand 23 auszuschalten. Der Ein
stellkondensator 24 ist derart gewählt, daß er eine Kapazität
aufweist, die etwa gleich derjenigen des Varistors 19 ist, um
eine gleiche Spannungsaufteilung zwischen dem Widerstand 23
und dem Varistor 19 sowie einen schnellen Wechsel der anstehen
den Spannungen sicherzustellen. Der Vorteil dieser Anordnung
besteht darin, daß die Spannung an dem Widerstand 23 und dem
gemäß an der Steuerfunkenstrecke 21, relativ gesehen, viel
schneller zunimmt als die Spannung an dem gesamten Ableiter
10, da der Varistorblock 17 und der mit dem Nebenschluß ver
sehene Varistor 19 in hohem Maße nichtlinear sind, während der
Widerstand 23 im wesentlichen linear ist. Selbst wenn die Steuer
funkenstrecke 21 bezüglich ihres Überschlagswertes etwas un
regelmäßig oder ungenau ist, steuert sie in Abhängigkeit von
der Spannung an dem gesamten Ableiter sehr genau das Neben
schließen des Varistors 19 und des Widerstandes 23. Mit ande
ren Worten, der Widerstand 23 erzeugt eine "Hebelübersetzung",
die es der Steuerfunkenstrecke 21 ermöglicht, den Nebenschluß
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 und zwei Funkenstrecken für
jedes Varistorelement 19 erfordert, wobei sie außerdem ei
nen linearen Widerstand 23 mit einer verhältnismäßig großen
Leistung benötigt, was schwierig zu verwirklichen ist. Die
Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist weniger ver
wickelt und verwendet einen leicht erhältlichen Silizium-
Karbid-Varistor bei ähnlicher Anwendung. Die Erfindung ver
wendet weiterhin zwei im Nebenschluß liegende Funkenstrecken
in Parallelschaltung zu zwei Varistorelementen 19 anstelle
der einzigen Nebenschlußfunkenstrecke bei dem bekannten
Ableiter.
Die Gestaltung des Ausführungsbeispiels des Ableiters ge
mäß der Erfindung nach den Fig. 3, 5 und 6 gleicht insofern
der Gestaltung des Ableiters nach den Fig. 1 und 2, als
ein Varistorblock 17 in Reihe mit einer nebenzuschlie
ßenden Varistoreinheit 18 liegt. Der Varistorblock 18 gemäß
Fig. 3 enthält mehrere Varistorscheiben 19 a, 19 b aus Zink
oxid und eine Scheibe 25 aus Silizium-Karbid (SiC) für je
zwei der verwendeten Scheiben aus Zinkoxid. Jeder der Va
ristoren 19 weist eine entsprechende einfache Funkenstrecke
20 auf, die den gleichen Zweck erfüllt wie die Funkenstrecke
bei den bekannten Ableitern gemäß den Fig. 1 und 2. Die
Wirkungsweise des Varistorblocks 18 ist folgende:
Wenn die Spannung an dem gesamten Ableiter 10 steigt,
steigt der Strom in einem wesentlich größeren Maße als
die Spannung, wie dies der oben erörterten Beziehung
I = k V n entspricht. Wegen dieses exponentiellen schnellen
Anstiegs des Stroms und weil die SiC-Varistorscheibe 25
einen viel kleineren Exponenten besitzt (n ≈ 4 bis 5) als
die ZnO-Scheiben 17 und 19 (n ≈ 25) nimmt die Spannung an
der Kombination der ZnO-Scheibe 19 b, der SiC-Scheibe 25 und
der Steuerfunkenstrecke 20 b in viel größerem Maße zu als
die Spannung an dem gesamten Ableiter 10.
Die Kombination der Zinkoxid- und der SiC-Varistorscheiben
in dem Varistorblock 18 erzeugt in ähnlicher Weise wie bei
dem bekannten Ableiter gemäß Fig. 2 eine Art "Hebelübersetzung".
Die Hebelübersetzung ermöglicht es der Steuerfunkenstrecke 20 b,
das Nebenschließen in einer sehr genauen Abhängigkeit von
der Spannung an dem gesamten Ableiter zu steuern.
Nachdem sich an der Steuerfunkenstrecke 20 b der Überschlag
vollzogen hat, findet dieser auch bei der Nebenschlußfunken
strecke 20 a statt, da die Spannung an der Funkenstrecke
schnell bis zu ihrem Überschlagswert steigt, weil nunmehr
die Spannung über dem Kopplungswiderstand 22 angestiegen ist.
Um die günstige Wirkung der Ausführungsform gemäß Fig. 3
weiter zu erläutern, sind in Fig. 4 die Spannungs-Stromstärke-
Kennlinien der einzelnen Komponenten dargestellt.
Die Volt-Ampere-Kennlinie 1 des in Reihe liegenden Varistor
blocks 17 mit einem großen Exponenten gemäß Fig. 3 wurde unter der
Voraussetzung gewählt, daß die Spannung an dem Ableiter 10 gleich
der Sicherheitsspannungsgröße des Ableiters ist, die
einem Stoßstrom von einigen tausend Ampere entspricht, der
z.B. infolge eines Blitzschlages auftritt.
Wie schon oben erörtert worden ist, ist es, um eine ausrei
chende Stabilität bei der dauernd anliegenden Spannung
sicherzustellen, notwendig, zusätzliche Scheiben mit einem
großen Exponenten vorzusehen, und zwar in einer Anzahl, die etwa 10%
von der Zahl der Scheiben beträgt, die durch die Kennlinie 1
der Fig. 4 charakterisiert sind. Diese zusätzlichen Schei
ben müssen bei einer geeigneten Stromstärke aus
dem Stromkreis ausgeschaltet werden, wie dies unten im ein
zelnen erläutert werden wird.
Fig. 3 enthält zwei zusätzliche Scheiben 19 a und 19 b, welche
die erforderlichen zusätzlichen 10% ausmachen. Die Spannungs-
Stromstärke-Kennlinie 2 der Fig. 4 stellt die Charakteristik
einer der zusätzlichen Scheiben 19 a und 19 b dar, an der bei je
der beliebigen Stromstärke 5% der Spannung abfällt, die durch
die Kennlinie 1 des Varistorblocks 17 wiedergegeben ist. Die
Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 3 ist dem Silizium-Karbid-
Varistor 25 der Fig. 3 zugeordnet, der derart ausgewählt ist,
daß an ihm bei einer Stromstärke von 300 A die gleiche
Spannung abfällt wie an jeder der zusätzlichen Scheiben 19 a und
19 b. Die besondere Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 3 des Si
lizium-Karbid-Varistors 25 für das Ausführungsbeispiel nach
Fig. 3 und 4 ist für eine bestimmte Ableitergestaltung ausge
wählt und kann sich mit einer Änderung dieser Gestaltung ver
ändern.
Die Steuerfunkenstrecke 20 b der Fig. 3 liegt mit der zusätz
lichen Scheibe 19 b und der SiC-Scheibe 25 in Reihe, und die
Spannung an der Steuerfunkenstrecke 20 b ist durch die Span
nungs-Stromstärke-Kennlinie 4 der Fig. 4 wiedergegeben. Diese
stellt die Summierung der beiden Spannungs-Stromstärke-Kenn
linien 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 Varistoren 17, 19 a bzw. 19 b und 25 entspre
chen. Damit der Ableiter 10 einen Sicherheitsabstand
aufweist, der das 1,39-fache des Spannungsabfalls direkt
nach dem Zünden der Funkenstrecke beträgt, gibt
die Kennlinie 5 der Fig. 4 an, daß dieser Sicher
heitsabstand bei einer Ableiterstromstärke von 300 A erreicht
wird. Um die Sicherheitsspannungsgröße des 1,39-fachen der Ab
leiterbrennspannung nicht zu überschreiten, ist es notwendig
daß die Steuerfunkenstrecke 20 b und die Nebenschlußfunken
strecke 20 a zum Überschlagen kommen, sobald die Stromstärke
in dem Ableiter sich 300 A nähert. Wenn die Stromstärke
in dem Ableiter 300 A erreicht, beträgt die Spannung
an der Steuerfunkenstrecke 20 b das 0,121-fache der Ableiter
brennspannung, wie dies durch die Spannungs-Stromstärke-Kenn
linie 4 angegeben ist. Die Spannung an der Nebenschlußfunken
strecke 20 a beträgt das 0,06-fache der Ableiterbrennspannung
wie dies durch die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 2 ange
zeigt wird. Die Steuerfunkenstrecke 20 b muß auf die gleiche
Größe der Überschlagsspannung eingestellt werden, da, wenn
die Steuerfunkenstrecke 20 b einmal überschlägt, die Neben
schlußfunkenstrecke 20 a einer Spannung von etwa dem 0,181-
fachen der Ableiterbrennspannung ausgesetzt wird, so daß die
Funkenstrecke 20 a sogleich zum Überschlag kommt und damit
dem Überschlagen der Funkenstrecke 20 b unmittelbar folgt.
Nachdem beide Funkenstrecken 20 a und 20 b den Überschlag
vollzogen haben, werden die Scheiben 19 a und 19 b sowie 25 in
folge des vernachlässigbaren Spannungsabfalls an den Funken
strecken nach dem Überschlagen kurzgeschlossen, und die Ab
leiter-Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 5 senkt sich in dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel auf die Spannungs-Stromstärke-
Kennlinie 1 des Hauptvaristorblocks 17 an der 300-A-Grenze
ab.
Für das oben gezeigte Ausführungsbeispiel muß die Funkenstrec
ke 20 b auf eine maximale Überschlagsspannung eingestellt
werden, die dem 0,121-fachen der Ableiterbrennspannung ent
spricht, die einer Ableiterstromstärke von 300 A
und damit einer Spannung an dem gesamten Ableiter
von dem 1,39-fachen der Ableiterbrennspannung gleichkommt. Wenn der
Steuerfunkenstrecke 20 b eine Überschlagsspannungstoleranz
von 10% zugebilligt wird, beträgt die kleinste Überschlags
spannung das 0,110-fache der Ableiterbrennspannung. Die
Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 4 zeigt, daß dieser Über
schlag bei einer Ableiter-Stromstärke von 185 A
stattfindet, wobei, wie die Kennlinie 5 zeigt, die Spannung
an dem gesamten Ableiter das 1,35-fache der Ableiterbrennspannung
beträgt. Bei einer Abweichung von 10% der Größe
der Überschlagsspannung der Steuerfunkenstrecke 20 b beträgt
demgemäß die Abweichung der Spannung an dem gesamten Ablei
ter, bei welcher der Überschlag stattfindet, nur 3%. Die
"Hebelübersetzung", die durch Verwendung der SiC-Scheibe 25
in Reihe mit der ZnO-Scheibe 19 b zustandekommt, beträgt nahe
zu 3 : 1. Das Maß der zustandekommenden "Hebelübersetzung"
hängt von der wirksamen Nichtlinearität der Scheiben 19 b und
25 ab, die über die Funkenstrecke 20 b 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 19 a, 19 b und 25 durch einen linearen Wi
derstand 23 (n = 1) ersetzt werden, wie dies der bekannten
Ausführungsform nach Fig. 2 entspricht, ergab eine 10%ige
Änderung der Überschlagspannung der im Nebenschluß liegen
den 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 Nebenschlußfunken
strecke 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 be
schrieben worden ist, eine sehr große Wirksamkeit des Ablei
ters mit sich. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin
dung für Ableiter, die nur mit einer verhältnismäßig niedri
gen Spannung belastet werden, ist in Fig. 5 gezeigt. Bei die
ser Ausführungsform ist die Zahl der zusätzlichen ZnO-Schei
ben, die nebenzuschließen sind, verringert. Eine einzige
ZnO-Scheibe 19 und eine SiC-Scheibe 25 befinden sich im Ne
benschluß zu der Funkenstrecke 20, die sowohl die Eigenschaf
ten der Steuerfunkenstrecke als auch diejenigen der Neben
schlußfunkenstrecke aufweist. Die Wirkungsweise der ZnO-Schei
be 19 und der SiC-Scheibe 25 gleicht derjenigen der Scheiben
19 b und 25 in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.
Die Brennspannung eines Ableiters bestimmt die Zahl der
Scheiben, die erforderlich sind, um eine ausreichende Stabi
lität des Varistors herbeizuführen. Bei einem Ableiter mit
einer verhältnismäßig großen Spannungsbelastung ist die Zahl
der ZnO-Scheiben, die kurzzuschließen sind, demgemäß ver
hältnismäßig groß. In einem Hochspannungsableiter wird im
allgemeinen mehr als eine Nebenschlußeinheit 18 benötigt.
Sechs ZnO-Scheiben 19 erfordern z.B. drei Nebenschlußeinhei
ten 18. Drei Steuerfunkenstrecken 20 b sind ebenfalls erforder
lich, so daß eine Art Überfluß an Nebenschlußfunkenstrecken
entsteht. Fig. 4 zeigt, daß die erste von mehreren Neben
schlußeinheiten 18 an der 300-A-Sicherheitsgrenze aus
dem Ableiter 10 herausgenommen werden kann. Die Herausnahme
einer ersten Nebenschlußeinheit 18 verringert die Ableiter
spannung in einem solchen Maße, daß die verbleibenden Neben
schlußeinheiten 18 nicht notwendig zum Überschlag kommen, bis
die Ableiterstromstärke 300 A um einen vorgeschriebenen
Betrag übersteigt, d.h. ein Ableiter 10 mit mehreren Neben
schlußeinheiten 18 enthält einen ihm innewohnenden Sicher
heitsfaktor, wozu eine der Steuerfunkenstrecken 20 b bei der
vorbestimmten Spannungsgröße zum Überschlag kommen muß, wäh
rend 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 darge
stellt, bei dem eine einzige Steuerfunkenstrecke 20 b die
übrigen Nebenschlußfunkenstrecken 20 a₁ bis 20 a n kaskadenar
tig steuert. Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 3
wird hier nur eine einzige Steuerfunkenstrecke 20 b verwendet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 haben die Elemente
19 b, 25 und 20 b die gleiche Wirkungsweise wie die Elemente 19 b,
25 und 20 b des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3. Die Elemen
te 19 a₁, 20 a₁, 19 a₂ und 20 a₂ entsprechen ebenfalls den Elemen
ten 19 a und 20 a des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3. Für
den Ableiter 10 gemäß Fig. 6 für eine große Spannung sind
mehrere Kondensatoren 26 an die Kopplungswiderstände 22 ange
schlossen, so daß, wenn die Steuerfunkenstrecke 20 b über
schlägt, die übrigen Funkenstrecken 20 a₁ bis 20 a n kaskaden
förmig Überspannung erhalten und durchschlagen.
Dies kommt zustande, weil jeder Kondensator 26 mit den den ZnO-
Scheiben 19 a₁ bis 19 a n anhaftenden Kapazitäten
zusammenwirkt und die Spannung an der unteren
Elektrode Q jeder Funkenstrecke 20 a₁ bis 20 a n aufrecht
erhält, bis die folgende Funkenstrecke zum Überschlagen kommt.
Der Vorteil des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6 gegenüber
einem Mehrfachen der Ausführungsform gemäß Fig. 3 besteht da
rin, daß für mehrere ZnO-Scheiben 19 a₁ bis 19 a n nur eine
einzige SiC-Scheibe 25 verwendet zu werden braucht. Hierdurch
kommt eine wesentliche Verringerung des Raumbedarfs bei ei
nem Hochspannungsableiter 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, zu der die Steuerfunkenstrecke
20 b im Nebenschluß liegt. Die gleiche Gesamtwirkung kann er
zielt werden, wenn der Exponent der ZnO-Scheibe selbst in dem
wirksamen Stromstärkebereich verkleinert wird. Es ist an sich bekannt,
daß durch Dotieren des grundlegenden ZnO-Materials in einem ZnO-Va
ristor 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 be
einflußt werden. Ein in geeigneter Weise dotierter ZnO-Varistor
kann demgemäß dazu verwendet werden, die Kombination einer
ZnO-Scheibe und einer SiC-Scheibe gemäß der Erfindung zu er
setzen.
Es können auch andere Materialien dazu verwendet werden, um
den wirksamen Exponenten n zu verkleinern, wenn der dotierte
Zinkoxid-Exponent kleiner ist als der undotierte 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.
Claims (7)
1. Überspannungsableiter (10) mit wenigstens zwei in
Serie zwischen eine Netzleitung (15) und Erde (16)
geschalteten Varistorblöcken (17, 18), die eine
Stromspannungskennlinie gemäß der Beziehung I = kV n
aufweisen, und mit einer dem zweiten
Varistorblock (18) zugeordneten Funkenstrecke (20),
wobei der erste Varistorblock (17) wenigstens
einen Varistor mit einem großen Exponenten (n) um
faßt, der größer als 10 ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Varistorblock (18) wenigstens einen
Varistor (19) mit einem großen Exponenten und einen
weiteren Varistor (25) mit einem kleinen Exponenten
(n) aufweist, für den 1 < n < 10 gilt, und daß die
Funkenstrecke (20, 20 b,) dem Varistor (25) mit dem kleinen Ex
ponenten sowie wenigstens einem Teil (19 b) des den
großen Exponenten aufweisenden Varistors (19)
aus dem zweiten Varistorblock (18) parallelgeschal
tet ist.
2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch ge
gekennzeichnet, daß der zweite Varistorblock (18)
wenigstens einen weiteren Varistor (19 a) mit einem
großen Exponenten aufweist, zu dem eine weitere
Funkenstrecke (20 a) parallelgeschaltet ist.
3. Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Verhältnis der Größe des großen
Exponenten (n) zu der Größe des kleinen Exponenten
(n) mindestens 2 : 1 ist.
4. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Varistor (17, 19 a, 19 b) mit dem
großen Exponenten (n) aus Zinkoxid und der Varistor
(25) mit dem kleinen Exponenten (n) aus Silizium
karbid besteht.
5. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Varistor (17, 19 a, 19 b) mit
dem großen Exponenten (n) aus Zinkoxid und der
Varistor (25) mit dem kleinen Exponenten (n) aus
Zinkoxid besteht, das mit einem den Exponenten (n)
verändernden Zusatz dotiert ist.
6. Überspannungsableiter nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Funkenstrecke (20) bei einem Strom zwischen
10 und 1000 A überschlägt.
7. Überspannungsableiter nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Überschlagspannung der Funken
strecke (20) wenigstens 5% der Ableiterspannung be
trägt.
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