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Dokumentenidentifikation DE2902006C2 13.06.1990
Titel Überspannungsableiter
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Kresge, James Stanley, Pittsfield, Mass., US;
Sakshaug, Eugene Clement, Lanesborough, Mass., US
Vertreter Rüger, R., Dr.-Ing.; Barthelt, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 7300 Esslingen
DE-Anmeldedatum 19.01.1979
DE-Aktenzeichen 2902006
Offenlegungstag 26.07.1979
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.06.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.06.1990
IPC-Hauptklasse H01T 4/00
IPC-Nebenklasse H01C 7/12   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruches.

Aus der DE-OS 26 47 233 ist ein gattungsgemäßer Überspannungsableiter 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 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 A, infolge eines Blitzstoßstromes auf einen praktikablen Wert begrenzt wurde, war bei der normalen Betriebsspannung die Stromstärke immer noch ausreichend, 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 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 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 anderen Worten, ermöglicht es die Verwendung eines Zinkoxids-Varistors einen Überspannungsableiter herzustellen, der ohne Funkenstrecken eine Sicherheitsspannung erzeugen kann, die nur um 10% von dem abweicht, was durch modernde übliche Ableiter erreichbar ist, 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, 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 beim Auftreten einer Überspannung der durch den Ableiter hindurchgehende Entladungsstrom die Größe von einigen hundert Ampere erreicht.

Darüber hinaus ist die Verwendung von Varistoren mit einem kleinen 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 oberhalb der normalen Größe, jedoch unterhalb der Sicherheitsgröße 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 Überspannungsableiter mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.

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

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 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 Varistorscheiben aus Zinkoxid besteht, die in Reihe geschaltet sind. In dem Gehäuse 11 ist weiterhin ein mit einem Nebenschluß versehener Varistorblock 18 enthalten, der in erster Linie wiederum 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 unteren Endanschlußkappe 13 und einer Leitung 16 zustande. Da sowohl der Varistorblock 17 als auch der mit einem Nebenschluß versehene Varistor 19 dauernd zwischen der Netzleitung 15 und Erde liegen, fließt ununterbrochen ein kleiner 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 Milliampere durch den Varistorblock 17 und den mit einem Nebenschluß 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 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 Überspannungen entstehen, über den Ableiter 10 zur Erde umzuleiten, um eine Beschädigung der zu schützenden Einrichtung zu verhindern, indem die Spannung begrenzt wird, der die Einrichtung ausgesetzt ist. Das wird auf folgende Weise bewirkt:

Beim Auftreten einer Überspannung an dem Ableiter 10 kommt eine schnelle und erhebliche Vergrößerung des Stromes in dem Ableiter entsprechend der oben erörterten Beziehung I = kVn 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 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 Varistor 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 den Durchschlag von deren dielektrischen Materialien infolge einer Hochspannungsbelastung.

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 Änderung der Überschlagspannung der Funkenstrecke 20 verursacht eine direkt proportionale Veränderung der Spannung an dem 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 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 ebenfalls aus der DE-OS 26 47 233 bekannte Ableiter 10 gleicht weitgehend 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 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 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 Steuerfunkenstrecke 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 Wirkungsweise 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 Spannung an ihm etwa die gleiche ist wie diejenige an dem Varistor 19 zu der Zeit, wenn sich die Ableiterspannung der Sicherheitsgröße nähert und es erwünscht ist, den Varistor 19 und den mit ihm in Reihe liegenden Widerstand 23 auszuschalten. Der Einstellkondensator 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 anstehenden Spannungen sicherzustellen. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Spannung an dem Widerstand 23 und demgemäß 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 versehene Varistor 19 in hohem Maße nichtlinear sind, während der Widerstand 23 im wesentlichen linear ist. Selbst wenn die Steuerfunkenstrecke 21 bezüglich ihres Überschlagswertes etwas unregelmäßig oder ungenau ist, steuert sie in Abhängigkeit von der Spannung an dem gesamten Ableiter sehr genau das Nebenschließen des Varistors 19 und des Widerstandes 23. Mit anderen 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 einen linearen Widerstand 23 mit einer verhältnismäßig großen Leistung 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 im Nebenschluß liegende Funkenstrecken in Parallelschaltung zu zwei Varistorelementen 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 Varistorblock 17 in Reihe mit einer nebenzuschließenden Varistoreinheit 18 liegt. Der Varistorblock 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 Varistoren 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 = kVn 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 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 dem Varistorblock 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 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 Varistorblocks 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 ausreichende 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 1der Fig. 4 charakterisiert sind. Diese zusätzlichen Scheiben müssen bei einer geeigneten 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, an der bei jeder 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 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 Varistoren 17, 19a bzw. 19b und 25 entsprechen. 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 Sicherheitsabstand bei einer Ableiterstromstärke von 300 A erreicht wird. Um die Sicherheitsspannungsgröße des 1,39-fachen der Ableiterbrennspannung 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 A nähert. Wenn die Stromstärke in dem Ableiter 300 A erreicht, beträgt die Spannung an der Steuerfunkenstrecke 20b das 0,121-fache der Ableiterbrennspannung, wie dies durch die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 4 angegeben ist. Die Spannung an der Nebenschlußfunkenstrecke 20a beträgt das 0,06-fache der Ableiterbrennspannung 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 Ableiterbrennspannung 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 sowie 25 infolge des vernachlässigbaren Spannungsabfalls an den Funkenstrecken nach dem Überschlagen kurzgeschlossen, und die Ableiter-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 Funkenstrecke 20b auf eine maximale Überschlagsspannung eingestellt werden, die dem 0,121-fachen der Ableiterbrennspannung entspricht, 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 20b eine Überschlagsspannungstoleranz von 10% zugebilligt wird, beträgt die kleinste Überschlagsspannung das 0,110-fache der Ableiterbrennspannung. Die Spannungs-Stromstärke-Kennlinie 4 zeigt, daß dieser Überschlag 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 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 über die 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 SiCScheiben (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 Brennspannung 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 kurzzuschließen sind, demgemäß verhältnismäßig groß. In einem Hochspannungsableiter 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-A-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 A 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 20a&sub1; 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 19a&sub1;, 20a&sub1;, 19a&sub2; und 20a&sub2; 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 angeschlossen, so daß, wenn die Steuerfunkenstrecke 20b überschlägt, die übrigen Funkenstrecken 20a&sub1; bis 20an kaskadenförmig Überspannung erhalten und durchschlagen. Dies kommt zustande, weil jeder Kondensator 26 mit den den ZnO- Scheiben 19a&sub1; bis 19an anhaftenden Kapazitäten zusammenwirkt und die Spannung an der unteren Elektrode Q jeder Funkenstrecke 20a&sub1; bis 20an aufrechterhält, 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 für mehrere ZnO-Scheiben 19a&sub1; bis 19an nur eine einzige SiC-Scheibe 25 verwendet zu werden braucht. Hierdurch kommt eine wesentliche Verringerung des Raumbedarfs bei einem 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 20b im Nebenschluß liegt. Die gleiche Gesamtwirkung kann erzielt 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-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 dotierter 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 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.


Anspruch[de]
  1. 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 = kVn aufweisen, und mit einer dem zweiten Varistorblock (18) zugeordneten Funkenstrecke (20), wobei der erste Varistorblock (17) wenigstens einen Varistor mit einem großen Exponenten (n) umfaßt, 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, 20b,) dem Varistor (25) mit dem kleinen Exponenten sowie wenigstens einem Teil (19b) des den großen Exponenten aufweisenden Varistors (19) aus dem zweiten Varistorblock (18) parallelgeschaltet ist.
  2. 2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gegekennzeichnet, daß der zweite Varistorblock (18) wenigstens einen weiteren Varistor (19a) mit einem großen Exponenten aufweist, zu dem eine weitere Funkenstrecke (20a) parallelgeschaltet ist.
  3. 3. Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Größe des großen Exponenten (n) zu der Größe des kleinen Exponenten (n) mindestens 2 : 1 ist.
  4. 4. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (17, 19a, 19b) mit dem großen Exponenten (n) aus Zinkoxid und der Varistor (25) mit dem kleinen Exponenten (n) aus Siliziumkarbid besteht.
  5. 5. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (17, 19a, 19b) 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. 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. 7. Überspannungsableiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Überschlagspannung der Funkenstrecke (20) wenigstens 5% der Ableiterspannung beträgt.






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