DE3115153A1

DE3115153A1 - Ueberspannungsableiter

Info

Publication number: DE3115153A1
Application number: DE19813115153
Authority: DE
Inventors: Helmut Ing.(Grad.) 7000 Stuttgart Herrmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-04-15
Filing date: 1981-04-15
Publication date: 1982-11-04

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft Überspannungsableiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Überspannungsableiter mit Reihenschaltung von Funkenstrecken und spannungsabhängigen Widerständen aus Siliziumcarbid, SiC, mit relativ kleinen Exponenten der Spannungsabhängigkeit konnten nur durch außerordentlichen konstruktiven und baulichen Aufwand auf der Seite der Funkenstrecken höheren Anforderungen im Hinblick auf Löschfähigkeit und Abstand Ansprech/Löschspannung entgegengebracht werden: aufwendige Steuerschaltungen zur Spannungsverteilung bis zum Zündaugenblick und die Ausnutzung eigen- oder fremdmagnetischer Felder zur Lichtbogenlöschung bzw. Strombegrenzung.
Die sich in jüngerer Zeit einführenden spannungsabhängigen Widerstände auf der Basis von Metalloxiden, insbesondere ZnO, besitzen nun Exponenten der Spannungsabhängigkeit n t 20 und erweitern die Möglichkeiten der Überspannungsbegrenzung beträchtlich. Da diese Widerstände jedoch relativ temperaturempfindlich sind, ist ihre Anwendung ohne vorgeschaltete Funkenstrecken nur in bestimmten Fällen möglich. Infolge ihrer hohen Exponenten genügen jedoch Plattenfunkenstrecken einfachster Art mit weitgehend homogener elektrischer Feldausbildung (DT-AS 23 34 420).
Andererseits jedoch wirkt sich wegen dieser hohen exponentiellen Spannungsabhängigkeit der Metalloxidwiderstände bei höherer Stapelanordnung in Überspannungsableitern für höhere Spannungen eine über die Länge der Säule infolge äußerer Einflüsse: z. B. äußerer Verschmutzung oder Nässe, elektrische Fremdfelder, Einkopplung äußerer Kapazitäten, Temperatur etc. ungleiche Spannungsverteilung nachteilig aus, da schon kleine durch die spannungsabhängigen Widerstände bei Betriebsspannung fließende Dauerströme ihre Temperatur erhöhen und damit ihre Wirksamkeit im Ansprechfalle bei Uberspannung beeinträchtigen können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Überspannungsableitern der eingangs geschilderten Art die spannungsabhängigen Widerstände von jeder, insbesondere auch von äußeren Einflüssen verursachter Vorbelastung freizuhalten und dabei auch eine gleichmänige Spannungsverteilung über die Funkenstrecken zur Stabilisierung der Ansprechspannung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen gemäß Kennzeichen des Patentanspruchs gelöst.
In der anliegenden Zeichnung ist die erfindungsgemäße Anordnung dargestellt.
Die Reihenschaltung aus Funkenstrecken 1 und spannungs abhängigen Widerständen 2 ist in mehrere gleiche Teilstapel 1,1',1" ... bzw.
2,2',2"... aufgeteilt. Die spannungsabhängigen Widerstände besitzen Eigenkapazitäten 2g, die gestrichelt angedeutet sind. Erfindungsgemaß sind nun zu den Funkenstreckenteilstapeln 1,1',1"... besonders bemessene Steuerkondensatoren 3 und nichtlineare Widerstände 4, zu den Widerstandsteilstapeln 2,2',2"... lineare Widerstände 5 zur Spannungssteuerung parallelgeschaltet.
Die Zuordnung der Größen dieser Elemente zueinander erfolgt so, daß bei der höchstzulässigen Dauerspannüng die Spannungsverteilung durch die Widerstandswerte der Widerstände 4 und 5, die Kapazitäten der Kondensatoren 3 und die Eigenkapazitäten der spannungsabhängigen Widerstände 2k bestimmt wird. Steigt die Spannung über die zulässige Dauarspannung, steigt die Teilspannung über dem linearen Widerstand 5 schneller an als die über dem nichtlinearen Widerstand 4 und zwar solange, bis nach dem Überschreiten der Schwellspannung de qlspannungs abhängigen Widerstands 2 dieser zunehmend leitend wird und den Hauptteil des Stromes übernimmt. Jetzt wird die Spannungsteuerung von der Reihenschaltung der Widerstände 2 und 4 übernommen. Da jetzt der Widerstand 4 die kleinere Nichtlinearität im wirksamen Schaltungsteil hat, steigt die Spannung an 4 schneller an als über 2, solange, bis bei einem bestimmten Strom der Spannungsfall über 4 zum Ansprechen der Funkenstreckee 1 führt. Die Gesamtansprechspannung setzt sich zusammen aus der Spannung am spannungsabhängigen Widerstand 2 beim Ansprechsteuerstrom und der Ansprechspannung der Funkenstrecken 1. Diese Funkenstrecke 1 braucht also nur für einen Teil der Gesamt spannung ausgelegt zu werden.
Die Eigenkapazitäten 2k der spannungsabhängigen Widerstände 2 sind zusammen mit den Steuerkapazitäten 3 so bemessen, daß die kapazitive Spannungsverteilung gleich der ohmschen bei der höchstzulässigen Dauerspannung ist. Die kapazitive Parallelsteuerung unterstützt wirkungsvoll die ohmsche Steuerung bei äußerem Einfluß, insbesondere Verschmutzung, übernimmt bei steilen Überspannungen die Steuerung und setzt die Ansprechverzögerung der Funkenstrecken herab.
Die Eigenkapazitäten von spannungsabhängigen Metalloxidwiderständen besitzen einen positiven Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstanten. Der Kondensator 3 besteht dann zweckmäßigerweise aus einem Material, dessen Temperaturkoeffizient der Dielektrizitätskonstanten negativ ist (z.B. Bariumtitanat). Bei Temperaturzunahme sinkt der ohmsche Widerstand des spannungsbahängigen Metalloxidwiderstandeg wegen seines negativen Temperaturkoeffizienten.
Der ohmsche Strom will deshalb zunehmen und könnte bis zum Wärmekippen führen.
Gemäß einem Erfindungsgedanken jedoch wird die im spannungsabhängiegn Widerstand 2 entstehende Wärme durch geeignete Wärmekopplung dem Kondensator 3 zugeführt. Dessen Kapazität nimmt ab (tk negativ), während die Kapazität des spannungs abhängigen Widerstandes 2 zunimmt (tk positiv). Die Spannungsverteilung ändert sich im umgekehrten Verhältnis wie die Kapazitäten, der spannungsabhängige Widerstand 2 wird entlastet und es stellt sich ein Gleichgewicht ein, das von den unterschiedlichen Nichtlinearitäten der Widerstände 4 und 2 zudem unterstützt wird.
Leerseite

Claims

ÜBERSPANNUNGSABLEITER Patentansprüche-1. Überspannungsableiter mit Reihenschaltung von Funkenstrecken und spannungsabhängigen Widerständen des Metalloxid-Typs, vorzugsweise auf der Basis von ZnO, dadurch gekennzeichnet1 daß der Gesamtstapel in mehrere gleiche Teilstapel bestehend jeweils aus einem Funkenstreckenteilstapel (i,i',t"...) und einem Widerstandsteilstapel (2,2',2"...) aufgeteilt ist, und daß den Funkenstreckenteilstapeln (1,1,1ll...) Steuerkondensatoren (3) und nichtlineare Steuerwiderstände (4), den Widerstandsteilstapeln (2,2',2"...) lineare Steuerwiderstände (5) parallelgeschaltet sind.
2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkondensatoren (3) einen negativen Temperaturkoeffizienten der Dielektrizitätskonstanten aufweisen und wärmemäßig mit den spannungsabhängigen Widerständen (2,...) gekoppelt sind.
3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Blindwiderstände der Kapazitäten der den Funkenstreckenteilstapeln (l,i',l...) parallelgeschalteten Steuerkondensatoren' (3) zu den Blindwiderständen der Eigenkapazitäten (2k) der Widerstandsteilstapel (2,2', 2"...) und das Verhältnis der Widerstandswerte der nichtlinearen Steuerwiderstände (4) zu denjenigen der linearen Steuerwiderstände (5) beim Scheitelwert der höchstzulässigen Dauerspannung gleich sind.
4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bemessung der SteuerkondensatoreA3) und der Steuerwiderstände (4 und 5) in Bezug auf die Widerstands-und Kapazitätswerte der Widerstandsteilstapel (2,2',2"...) so erfolgt, daß bis zur höchstmöglichen Dauerspannung der ohmsche Stromfluß durch die Widerstandsteilstapel (2,2',2"...) vernachlässigbar klein bleibt.
5. Überspannungsableiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bemessung der Schaltungselemente so erfolgt, daß der Strom nach Überschreitung der höchstzulässigen Dauerspannung bis zum Erreichen der Ansprechspannung in zunehmendem Maße über die Widerstandsteilstapel (2,2',2"...) und die Steuerwiderstände (4) fließt.
6. Überspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstreckenteilstapel (i,i',i...) für einen kleineren als den auf sie durch die Teilung in Teilstapel zukommenden Teilwert der Ansprechspannung ausgelegt sind.
7. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Exponent der Nichtlinearität: Alg 1 n t lg U der Steuerwiderstände (4) kleiner ist als der Exponent n der Ableitwiderstände in den Widerstandsteilstapeln (2,2§,2tt...).
8. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Steuerkondensatoren (3) und den Widerstandsteilstapeln (2,2',2"...) eine besondere, gut wärmeübertragende Verbindung beseht.