Einsatz von Metalloxid-Varistoren zum Überspannungsschutz ...

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3 Konventioneller Einsatz von Metalloxidvaristoren als
Überspannungsableiter
Die Vermeidung oder Begrenzung von Überspannungen ist in fast allen Gebieten der
Elektrotechnik erforderlich, um Betriebsmittel zuverlässig, störungsfrei und mit
größtmöglicher Lebensdauer betreiben zu können. Dabei werden verschiedene
Ansätze verfolgt: Am einfachsten ist es, Überspannungen gar nicht erst entstehen zu
lassen, sondern sie von Anfang an zu vermeiden, was aber nur in den wenigsten
Fällen möglich ist. Außerdem kann man die Betriebsmittel den auftretenden
Überspannungen anpassen und so deren Zuverlässigkeit gewährleisten. In vielen
Fällen wird ein Mittelweg gewählt, nach dem die Betriebsmittel bis zu einer gewissen
Schwelle be- und überlastet werden können; zweitens wird aber sichergestellt, dass
auch niemals höhere Belastungen zu erwarten sind, was wiederum entsprechenden
Überspannungsschutz erfordert. Überspannungsschutz kann z. B. durch
Funkenstrecken oder Dioden realisiert werden [Schi 02], [Schwa 07]. In den letzten
Jahrzehnten hat sich auf allen Spannungsebenen besonders ein Bauelement
durchgesetzt – der Metalloxidvaristor (MO-Varistor). Die Verwendung eines
keramischen, halbleitenden Materials mit spannungsabhängiger Leitfähigkeit garantiert
neben einem hohen Energieaufnahmevermögen vor allem einfache technische
Umsetzung und sehr lange Lebensdauern [Hin 01], [ABB 08].
3.1 Spannungs-Strom-Charakteristik und Wirkungsweise
MO-Varistoren besitzen eine stark nichtlineare Spannungs-Strom-Charakteristik
(U-I-Kennlinie, Abb. 3.1). Das Wirkprinzip ähnelt dem einer Diode: Unterhalb einer
bestimmten Spannung fließt ein sehr geringer Leckstrom und oberhalb einer
Durchbruchspannung geht der differentielle elektrische Widerstand fast unabhängig
von der anliegenden Spannung gegen Null. Durch den stark nichtlinearen
Zusammenhang variiert der elektrische Widerstand abhängig von Spannung und Strom
zwischen einigen Megaohm bis hin zu Werten von wenigen Milliohm. Der Grad der
Nichtlinearität wird durch den sog. Nichtlinearitätskoeffizienten α ausgedrückt:
log ΔI
α =
log U
Δ mit 2
I1
I U2
Δ I = , Δ U = (vgl. Abb. 3.1) (3.1)
U
1