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Dokumentenidentifikation DE10058908C1 08.08.2002
Titel Anordnung zum Abbau von Überspannungen mit mehreren Varistoren
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Hinrichsen, Volker, Dr., 10961 Berlin, DE;
Steinfeld, Kai, Dr., 10553 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 21.11.2000
DE-Aktenzeichen 10058908
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.08.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.08.2002
IPC-Hauptklasse H02H 9/04
IPC-Nebenklasse H01C 7/10   H01C 7/02   
Zusammenfassung Mehrere Varistoren (7, 8, 9, 10) werden elektrisch parallel geschaltet, um einen abzuleitenden Strom auf mehrere Varistoren (7, 8, 9, 10) zu verteilen. Auf Grund von Fertigungstoleranzen weichen die UI-Kennlinien der einzelnen Varistoren (7, 8, 9, 10) voneinander ab. Dadurch teilt sich der abzuleitende Strom auf die einzelnen Varistoren (7, 8, 9, 10) ungleichmäßig auf und belastet die einzelnen Varistoren (7, 8, 9, 10) unterschiedlich stark bis hin zu einer Überlastung einzelner Varistoren (7, 8, 9, 10). Um die Verteilung des Ableitstromes auf die einzelnen Varistoren (7, 8, 9, 10) zu steuern, ist zumindest zu einem der Varistoren (7, 8, 9, 10) ein Kaltleiterelement (11, 12, 13, 14) elektrisch in Serie geschaltet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Abbau von Überspannungen mit mehreren Varistoren, welche zur gemeinsamen Ableitung eines Ableitstromes elektrisch parallel geschaltet sind.

Aus der Offenlegungsschrift DE 41 42 523 A1 ist es bekannt, einen im normalen Betriebsverlauf stromdurchflossenen PTC- Widerstand mit einem Varistor zu kombinieren. Der Varistor ist dabei elektrisch parallel zu dem PTC-Widerstand geschaltet. Im Fall eines Überstromes erhöht der PTC-Widerstand seinen elektrischen Widerstand um viele Größenordnungen, so dass der Überstrom schlagartig unterbrochen wird. Infolgedessen entsteht an dem PTC-Widerstand ein Spannungsabfall, welcher aufgrund der Parallelschaltung auch an dem Varistor anliegt. Übersteigt dieser Spannungsabfall dessen Durchbruchspannung, so wird der Überstrom parallel durch den Varistor abgeleitet.

Weiterhin ist aus der Offenlegungsschrift DE 196 12 841 A1 ein strombegrenzender Widerstand mit PTC-Verhalten mit dazu elektrisch parallel geschaltetem Varistor bekannt. Dort ist der strombegrenzende Widerstand in einem Lastkreis eingebaut und erhöht seinen elektrischen Widerstand bei einem unzulässig hohen Überstrom. Mittels des parallel zu dem strombegrenzenden Widerstand angeordneten Varistors kann eine über dem Widerstand auftretende Überspannung mittels eines Ableitstromes abgebaut werden.

Außerdem ist eine eingangs beschriebene Anordnung ist beispielsweise aus dem Aufsatz "Zu Hause bei -50°C°, Renz, Hinrichsen, EV Report 1/95, Siemens AG, Seiten 10 bis 13 bekannt. In dem Aufsatz ist eine Serienkompensationsanlage mit einer Kondensatorbank zur Kompensation von induktiven Impedanzen einer Übertragungsleitung beschrieben. Um die bei einem Leitungsfehler an der Kondensatorbank abfallende Spannung zu begrenzen, sind parallel zu der Kondensatorbank mehrere Überspannungsableiter geschaltet. Diese Überspannungsableiter sind Varistoren, deren Ableitstrombahn im Wesentlichen aus Metalloxid besteht. Die Parallelschaltung mehrerer Varistoren ist notwendig, um die zu beherrschenden hohen Ableitströme ohne Überlastung der einzelnen Varistoren abzuleiten. Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Ableitstromes auf die einzelnen Varistoren zu erreichen, ist es notwendig, Varistoren mit annähernd identischen elektrischen Eigenschaften zu verwenden. Dazu ist es erforderlich, durch aufwendige Messungen der elektrischen Eigenschaften der Varistoren diese zu kategorisieren und entsprechend aufeinander abgestimmte Varistoren auszuwählen. Diese Methode stellt jedoch lediglich in einem einzigen Arbeitspunkt der nicht linearen UI-Kennlinien der Varistoren eine annähernde Gleichheit der Strom- bzw. Leistungsaufteilung sicher.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Abbau von Überspannungen mit mehreren Varistoren so auszubilden, dass in einem breiten Arbeitsbereich eine Überlastung einzelner Varistoren vermieden wird.

Die Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest zu einem der Varistoren ein die Verteilung des Ableitstromes auf die einzelnen Varistoren steuerndes Kaltleiterelement elektrisch in Serie geschaltet ist.

Bei einer derartigen Anordnung ist der Kaltwiderstand des Kaltleiterelements so gewählt, dass die UI-Kennlinie des Varistors innerhalb seines Arbeitsbereiches nur geringfügig beeinflusst ist. Der Heißwiderstand des Kaltleiterelementes ist dagegen so abgestimmt, dass mit dem Erreichen einer kritischen, den Varistor gefährdenden Temperatur an dem Kaltleiterelement ein derartig hoher Spannungsfall entsteht, dass der in Serie zu dem Kaltleiterelement geschaltete Varistor wirksam von dieser Spannung entlastet wird und aufgrund der nichtlinearen UI-Kennlinie die Strom- und Leistungsaufnahme in diesem Varistor stark zurückgeht. Gleichzeitig übernehmen die parallel geschalteten Varistoren den Anteil des Stromes, um den sich der Strom durch den betroffenen Varistor verringert. In einem einfachen Fall können beispielsweise zwei Varistoren parallel geschaltet sein, wobei zu einem der Varistoren ein Kaltleiterelement elektrisch in Serie geschaltet ist. Der mit dem Kaltleiterelement versehene Varistor ist dabei der leistungsschwächere der beiden parallel geschalteten Varistoren. Bei einer ansteigenden Belastung des Varistors steuert das Kaltleiterelement in Abhängigkeit der Varistortemperatur die Ableitstromverteilung so, dass der leistungsstärkere Varistor einen vergrößerten Ableitstromanteil trägt.

Als günstige Variante hat sich erwiesen, bei der Parallelschaltung mehrerer Varistoren zu jedem der Varistoren ein Kaltleiterelement in Serie zu schalten. Dadurch ist jeder einzelne der Varistoren vor einer Überlastung geschützt und der Ableitstrom kann so sehr gleichmäßig auf die einzelnen Varistoren aufgeteilt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Varistor aus mehreren geschichteten Blöcken gebildet ist und zumindest einer dieser Blöcke ein Kaltleiterelement ist.

Ist der Varistor aus mehreren geschichteten Blöcken gebildet, so ist die Serienschaltung des Varistors mit einem Kaltleiterelement in konstruktiv sehr einfacher Weise möglich. Dabei wird das Kaltleiterelement als diskretes Element ausgeführt und zwischen den geschichteten Blöcken des Varistors angeordnet. Bei dieser Lösung ist es möglich, zur Erzielung der notwendigen elektrischen Eigenschaften des Kaltleiterelementes mehrere Blöcke des Kaltleiterelemente in den geschichteten Varistor einzuarbeiten. Dadurch ist es möglich, die elektrischen Eigenschaften des Kaltleiterelementes den konstruktiven Forderungen leicht anzupassen.

Außerdem kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Kaltleiterelement mit dem Varistor eine bauliche Einheit bildet.

Bildet das Kaltleiterelement mit dem Varistor eine bauliche Einheit, so ergeben sich günstige Eigenschaften für die Montage des Varistors. Durch die bauliche Einheit ist der Varistor mit dem Kaltleiterelement zwangsweise verbunden, so dass sich günstige Voraussetzungen für die Kontaktierung von Varistor und Kaltleiterelement ergeben. Eine derartige bauliche Einheit kann beispielsweise das Aufbringen einer kaltleitenden Schicht auf den Varistor beispielsweise durch einen Sinterprozess erzielt werden. Außerdem ergibt sich durch die bauliche Einheit eine große Anzahl von möglichen Formen der Kombination von Kaltleiterelement und Varistor.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend näher beschrieben. Dabei zeigt die

Fig. 1 schematisch eine Kondensatorbank sowie dazu parallel geschaltete Varistoren eines Serienkompensators,

Fig. 2 einen schematischen Aufbau eines Varistors mit Kaltleiterelementen und

Fig. 3 einen weitereren Aufbau eines Varistors mit Kaltleiterelementen.

Die Fig. 1 zeigt eine Kondensatorbank 1 bestehend aus mehreren parallel geschalteten Kondensatoren 2, 3, 4, 5 sowie eine parallel zu der Kondensatorbank 1 geschaltete Ableiterbank 6. Sowohl die Kondensatorbank 1 als auch die Ableiterbank 6 sind Teil eines Serienkompensators, welcher im Verlauf einer Übertragungsleitung zur Kompensation von induktiven Impedanzen angeordnet ist. Als solches ist der Serienkompensator von dem in der Übertragungsleitung fließenden Strom I durchflossen. Bei einer dreiphasigen Übertragungsleitung ist in jeder der Phasen eine derartige Kompensationsanlage vorgesehen.

Die Ableiterbank 6 besteht aus mehreren parallel geschalteten Varistoren 7, 8, 9, 10. Derartige Varistoren 7, 8, 9, 10 werden auch als Ableiter bezeichnet. In jedem der Parallelstrompfade der Ableiterbank 6 ist ein Kaltleiterelement 11, 12, 13, 14 in Serie zu jedem der Varistoren 7, 8, 9, 10 geschaltet.

Im ungestörten Betrieb ist die Kondensatorbank 6 von dem Betriebsstrom I der Übertragungsleitung durchflossen. Die Kondensatorbank 1 kompensiert die induktive Blindleistung der Übertragungsleitungen zu einem Teil. Der Spannungsfall über der Kondensatorbank 1 ist dabei nur so groß, dass die Varistoren 7, 8, 9, 10 eine sehr hohe Impedanz aufweisen und lediglich ein geringer Leckstrom durch sie hindurchfließt.

Bei dem Auftreten von Leitungskurzschlüssen muss die Kurzschlussenergie von der Kondensatorbank 1 ferngehalten werden, um diese vor einer Beschädigung zu schützen. Bei dem Fließen eines Kurzschlussstromes in der Übertragungsleitung entsteht an der Kondensatorbank 1 ein derartig hoher Spannungsfall, dass die Impedanz der Varistoren 7, 8, 9, 10 entsprechend ihrer UI-Kennlinie stark sinkt und der größte Teil des Kurzschlussstromes durch die Parallelstrompfade der Ableiterbank 6 fließt. Auf Grund von Fertigungstoleranzen der Varistoren 7, 8, 9, 10 variieren die UI-Kennlinien der einzelnen Varistoren 7, 8, 9, 10 untereinander, so dass die Impedanzen der einzelnen Varistoren 7, 8, 9, 10 der Ableiterbank 6 unterschiedlich groß sind. Das führt dazu, dass der Varistor mit der geringsten Impedanz den größten Anteil am Ableitstrom trägt und der Varistor mit der größten Impedanz den geringsten Anteil am Ableitstrom führt. Zum Beginn des Ableitvorganges weisen sowohl die Varistoren 7, 8, 9, 10 als auch die Kaltleiterelemente 11, 12, 13, 14 eine annähernd gleiche Temperatur auf. Mit dem Führen des Ableitstromes kommt es zu einer Erwärmung sowohl der Varistoren 7, 8, 9, 10 als auch der Kaltleiterelemente 11, 12, 13, 14. Auf Grund der Abweichungen der Impedanzen der Varistoren 7, 8, 9, 10 können dabei einzelne Varistoren 7, 8, 9, 10 bereits an ihrer Leistungsgrenze arbeiten. Durch den an seiner Leistungsgrenze arbeitenden Varistor 7, 8, 9, 10 und durch den Leistungsumsatz in dem Kaltleiterelement selbst, erwärmt sich das Kaltleiterelement dabei so stark, dass sich dessen Impedanz so erhöht, dass an dem Kaltleiterelement 11, 12, 13, 14 ein so hoher Spannungsfall entsteht, dass der Varistor 7, 8, 9, 10 wirksam von Spannung entlastet wird und auf Grund seiner nicht linearen Charakteristik die Strom- und damit die Leistungsaufnahme des betroffenen Varistors 7, 8, 9, 10 zurückgeht. Der Ableitstrom verteilt sich nunmehr entsprechend der sich einstellenden Impedanzen auf die einzelnen Parallelstrompfade der Ableiterbank 6.

Eine derartige Steuerung erfolgt dabei in jedem der Parallelstrompfade der Ableiterbank 6, so dass eine Überlastung jedes einzelnen Varistors 7, 8, 9, 10 vermieden wird. Bei einer entsprechenden Anzahl von Varistoren 7, 8, 9, 10 wird die Verteilung des Kurzschlussstromes auf die einzelnen Varistoren 7, 8, 9, 10 der Ableiterbank 6 vergleichmäßigt. Nach dem Ausschalten des Kurzschlusses kühlen die Varistoren 7, 8, 9, 10 und die Kaltleiterelemente 11, 12, 13, 14 ab und sind für weitere Ableitvorgänge bereit.

Um die Wirksamkeit der Verteilung des abzuleitenden Stromes auf die einzelnen Varistoren 7, 8, 9, 10 genau abzubilden, ist es erwünscht, dass die Kaltleiterelemente 11, 12, 13, 14 die Temperatur des zugehörigen Varistors 7, 8, 9, 10 genau abbilden. Dazu sind in den Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsvarianten zur Kombination von Kaltleiterelement und Varistor im Schnitt dargestellt. Der Varistor weist mehrere Metalloxidblöcke 15, 16, 17 auf. Diese Metalloxidblöcke 15, 16, 17sind wesentlicher Bestandteil der Ableitstrombahn eines Varistors. Das Kaltleiterelement ist ebenfalls als diskreter Block ausgebildet. Um eine genaue Abbildung der Temperatur der Metalloxidblöcke zu erzielen, ist in diesem Ausführungsbeispiel das Kaltleiterelement in zwei Blöcke aufgeteilt. Die Kaltleiterblöcke 18, 19 sind jeweils zwischen zwei Metalloxidblöcken 15, 16, 17 angeordnet.

In der Fig. 3 ist auf die einzelnen Metalloxidblöcke 20, 21, 22 jeweils eine kaltleitende Schicht 23, 24, 25 aufgebracht. Die kaltleitende Schicht 23, 24, 25 und der jeweilige Metalloxidblock 20, 21, 22 sind elektrisch leitend miteinander verbunden. Eine derartige Verbindung kann beispielsweise durch einen Sinter-, einen Klebevorgang oder eine andere Fügetechnik erzeugt werden. Die Metalloxidblöcke 20, 21, 22 mit der Kaltleiterschicht 23, 24, 25 werden wiederum aufeinandergestapelt und bilden so einen wesentlichen Teil der Ableitstrombahn eines Varistors.


Anspruch[de]
  1. 1. Anordnung zum Abbau von Überspannungen mit mehreren Varistoren (7, 8, 9, 10), welche zur gemeinsamen Ableitung eines Ableitstromes elektrisch parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zu einem der Varistoren (7, 8, 9, 10) ein die Verteilung des Ableitstromes auf die einzelnen Varistoren (7, 8, 9, 10) steuerndes Kaltleiterelement (11, 12, 13, 14) elektrisch in Serie geschaltet ist.
  2. 2. Anordnung zur Ableitung von Überspannungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (7, 8, 9, 10) aus mehreren geschichteten Blöcken gebildet ist und zumindest einer dieser Blöcke ein Kaltleiterelement (18, 19) ist.
  3. 3. Anordnung zur Ableitung von Überspannungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltleiterelement (23, 24, 25) mit dem Varistor eine bauliche Einheit bildet.






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