Einsatz von Metalloxid-Varistoren zum Überspannungsschutz ...

Seite 102 8 Degradation von Metalloxid-Varistoren
8.2 Alterungsverhalten von Varistoren bei permanent auftretenden
Überspannungen
Zur Lebensdauervorhersage von Varistoren, eingesetzt zum Überspannungsschutz
umrichterspeister Antriebe, ist es unbedingt notwendig, die Prüflinge beschleunigter
Alterung zu unterziehen. Das Alterungsverhalten bei Gleich- und Wechselspannung ist
weitgehend bekannt, und die Hersteller sind in der Lage, das Material auf den
jeweiligen Betriebsfall hin zu optimieren. Bei permanent auftretenden Überspannungen
liegen jedoch nur wenige veröffentlichte Erkenntnisse über Alterungsmechanismen von
Metalloxidvaristoren vor [Law 89], so dass auch noch keine Ansätze hinsichtlich eines
optimierten Materials bekannt sind. Unter [Epc 09] finden sich sogenannte „derating
curves“ für Niederspannungsvaristoren, die Informationen geben, wie oft Varistoren mit
Rechteckimpulsen von bestimmter Stromhöhe und Impulslänge beansprucht werden
dürfen. Danach werden für einen Varistor bei einer Stromimpulslänge von 10 µs und
unendlich häufiger Beanspruchung gerade einmal 20 A Stromhöhe zugelassen. Im
Vergleich dazu liegt die Stromhöhe bei zehnmaliger Beanspruchung im Bereich einiger
Kiloampere. Wie vorher bereits erwähnt, werden die Varistoren bei der in dieser Arbeit
beschriebenen Anwendung mit Strömen von ca. 10 A bei einer Impulsdauer von
wenigen Mikrosekunden beansprucht. Die Beanspruchungshäufigkeit liegt auch im
Bereich von „unendlich“. Allerdings handelt es sich hier um bipolare Beanspruchung im
Gegensatz zu [Epc 09], wo unipolare Impulse gemeint sind. Außerdem sind die
Unterschiede zwischen Volumen und Stromdichtebeanspruchung zwischen den hier
verwendeten Prüflingen und Niederspannungsvaristoren sehr groß, so dass eine
Vergleichbarkeit der Daten fraglich erscheint. Außerdem geht aus den Daten nach
[Epc 09] nicht hervor, ob Alterungseffekte berücksichtigt sind. Daher wird im
vorliegenden Abschnitt zunächst diskutiert, welche Anforderungen an einen
beschleunigten Alterungsversuch bei permanent auftretenden Überspannungen
überhaupt gestellt werden müssen. Anschließend werden konkrete Ergebnisse sowie
deren Interpretation zum Alterungsverhalten von MO-Varistoren bei Umrichterbetrieb
vorgestellt.
8.2.1 Anforderungen an eine Prozedur zur beschleunigten Alterung bei
permanent auftretenden Überspannungsereignissen
Eingangs wurde bereits erwähnt, dass beim konventionellen Betrieb von
Überspannungsableitern an Wechselspannung zwischen der sog. Arbeitsprüfung und
der beschleunigten Alterungsprüfung unterschieden wird. Dabei dient die
Arbeitsprüfung dem Nachweis des thermisch stabilen Betriebs von Ableitern nach