Experimentelle Untersuchungen zur Mehrfachimpulsbelastbarkeit von Metalloxidvaristoren für Anwendungen in der elektrischen Energietechnik

Die vorliegende Arbeit berichtet über Untersuchungen zur Mehrfachimpulsbelastbarkeit von Metalloxid-Varistoren (MO-Varistoren). Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt dabei auf repetierenden Belastungen hoher Energiedichte, bei denen die Prüflinge zwischen den Belastungen auf Umgebungstemperatur abkühlen. Die Belastungsfähigkeit mit repetierenden Energieeinträgen wird mit jener bei Einzelimpulsbelastungen verglichen. Wie bekannt ist, steigt das Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen mit zunehmender Stromdichte der Belastung an. Dies lässt sich auf eine homogenere Stromverteilung im MO-Varistor bei höheren Stromdichten zurückführen. Die in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Untersuchungen deuten darauf hin, dass bei hohen Stromdichten die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes der MO-Varistoren zu einer weiteren Homogenisierung der Stromverteilung im Material führt. Der Effekt scheint jedoch so gering zu sein, dass er keinen messbaren Einfluss auf das Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen hat. Weiterhin wird durch experimentelle Untersuchungen nachgewiesen, dass kurze Unterbrechungen von Rechteckimpulsenergieeinträgen bis in den Sekundenbereich das Impulsenergieaufnahmevermögen von MO-Varistoren nicht erhöhen. Die vorgestellten Untersuchungen zeigen weiterhin, dass die Belastungsfähigkeit von MO-Varistoren bei repetierenden Energieeinträgen nicht mit dem Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen korreliert. Bei geringen Stromdichten liegt sie sehr nahe an dem Einzelimpulsenergieaufnahmevermögen. Bei größeren Stromdichten steigt die Differenz, die Belastungsfähigkeit bei repetierenden Energieeinträgen sinkt jedoch nicht unter den Wert des typischen volumenbezogenen Nennenergieaufnahmevermögens von Standard-Überspannungsableitern. In diesem Zusammenhang wird weiterhin nachgewiesen, dass eine Referenzspannungsänderungen infolge von repetierenden Vorbelastungen kein sicheres Indiz für Vorschädigungen ist, die zu einer Verringerung des Einzelimpulsenergieaufnahmevermögens führen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in Bezug auf die Stückprüfung von MO-Varistoren, den Einsatz von Überspannungsableitern in elektrischen Energieversorgungsnetzen und die Weiterentwicklung der internationalen Normung für Überspannungsableiter diskutiert.

In this thesis, the results of the research on multiple impulse energy handling capability of metal-oxide varistors (MOVs) are described. The focus here is on repetitive impulse stresses with a high energy density where the specimens cool down to ambient temperature after each energy injection. The repetitive energy injection handling capability of MOVs is compared to their single impulse handling capability.

It is widely known that the single impulse energy handling capability of MOVs increases with the current density of the impulse stress. This is due to the homogeneous current distribution within MOVs when applying higher current densities. The findings described in this thesis suggest that the temperature dependence of electrical resistance causes a further homogenization of the current distribution within the material of the MOVs at higher current densities. However, the impact of this seems to be small as its influence on the single impulse energy handling capability of the MOVs is not measurable. Furthermore, the results of experiments conducted for this thesis show that short interruptions of a long"=duration current impulse stresses up to the range of seconds do not increase the impulse energy handling capability of MOVs.

Additionally, the research results illustrate that the repetitive impulse energy handling capability of MOVs does not correlate with their single impulse energy handling capability. Concerning repetitive energy injections at lower current densities, the stress handling capability is very close to the single impulse energy handling capability. However, repetitive impulse stresses with higher current densities cause a reduced stress handling capability compared to the single impulse energy handling capability. Nonetheless, the energy handling capability when applying repetitive energy injections does not drop below the characteristic volume"=related nominal energy handling capability of standard surge arresters. With regard to these findings, it is also shown that a change in reference voltage due to prior repetitive stressing of the MOV is not a sure sign for a pre"=damage that leads to a decrease in single impulse energy handling capability.

The results gained from this research are discussed with regard to routine tests of MOVs, the usage of surge arresters within electric power systems and the international standardization of surge arresters.