TP 4 Hinrichsen

TP 4

Dimensionierung, Alterungsverhalten und Energieaufnahmevermögen von Metalloxid-Varistoren zum Überspannungsschutz von umrichtergespeisten Antrieben

Betreuer Prof. Dr.-Ing. Hinrichsen

Bearbeiter Dipl.-Ing. A. Rocks

Prof. Dr.-Ing. Hinrichsen
Prof. Dr.-Ing. Hinrichsen

Dipl.-Ing. A. Rocks
Dipl.-Ing. A. Rocks

Eine mögliche Maßnahme zum Schutz der Isolation umrichtergespeister Antriebe ist der Einsatz von Varistoren zur Überspannungsbegrenzung. Bauformen können, je nach Anforderungen und Einbaumöglichkeiten, kleine Varistoren mit Drahtanschlüssen, jedoch auch vergossene, scheibenförmige Energievaristoren mit Durchmessern bis zu 80 mm sein. Es besteht auf Seiten der Anwender wie auch der Hersteller große Unsicherheit bezüglich der richtigen Dimensionierung für diese Anwendungen, und wiederholt wird von Ausfällen derartig eingesetzter Varistoren berichtet. Diskussionen mit den Varistorherstellern ergeben, dass die Problematik bekannt und auch zunehmend drängend ist, jedoch mit dem heute vorhandenen Wissensstand nicht gelöst werden kann.

Für die Dimensionierung erschwerend ist die für diese Anwendung typische Spannungsform: mit hohen Frequenzen periodisch geschaltete Spannungsblöcke mit überlagerten Überschwingern auf Grund von Wanderwellenvorgängen auf den Anschlusskabeln. Die klassischen Bemessungsregeln zur Sicherstellung der thermischen Stabilität und des stabilen Langzeitverhaltens oder zur Festlegung des Verhältnisses von Schutzpegel zu Dauer- oder Kurzzeitwechselspannung versagen hier. Es müssen völlig neue Dimensionierungsregeln gefunden werden.

Das Degradations- und Schädigungsverhalten von Varistoren bei Beanspruchung mit den im Zusammenhang mit Umrichtern auftretenden Spannungsformen ist heute noch weitgehend unbekannt. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen, für Varistoren bekannten Schädigungsmechanismen kommen als mögliche Ursachen für die berichteten Ausfälle in Frage:

  • * großvolumige energetische (und damit thermische) Überlastung;
  • lokale thermische Überlastung aufgrund von Materialinhomogenitäten;
  • Kennlinienalterung (Degradation) aufgrund der
    • auftretenden Stromsteilheiten;
    • auftretenden Stromamplituden;
    • extrem hohen Zahl der Beanspruchungen;
  • Versagen der Kontaktierung durch elektrische, thermische oder mechanische Beanspruchung;
  • thermische Instabilität
  • falsche Dimensionierung

Genauere Aussagen zu den Ausfallursachen können zzt. alleine schon deshalb nicht getroffen werden, weil die Art der Beanspruchung weitgehend unklar ist. Es liegen keine verlässlichen Angaben über Höhe, Form und Energieinhalt der Überspannungsimpulse sowie die Häufigkeit ihres Auftretens vor. Dies ist u. a. darin begründet, dass die Überspannungen nicht nur von den Umrichtern selbst ausgehen, sondern insbesondere im Zusammenspiel mit den Anschlusskabeln in Form von Wanderwellenvorgängen entstehen. Damit können auch schwer Verallgemeinerungen getroffen werden, weil eine Vielzahl von Kombinationen denkbar ist, die jeweils zu unterschiedlichen Überspannungsbeanspruchungen führen.

Metalloxid-Varistoren
Metalloxid-Varistoren

Das Fachgebiet Hochspannungstechnik dankt der Johannes

Hübner Stiftung, Frankfurt a.M., und der Fa. Johannes Hübner Fabrik elektrischer Maschinen GmbH, Giessen,

für die materielle und finanzielle Unterstützung.

Stand der Arbeit