DE102007054303A1 - Element zum Begrenzen eines elektrischen Stroms, insbesondere eines Über- und/oder Kurzschlussstroms, und Vorrichtung mit einem Element zur Strombegrenzung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Element (4) und eine Vorrichtung zum Begrenzen eines elektrischen Stroms, insbesondere eines Über- und/oder Kurzschlussstroms, mit einer im Betrieb von dem Strom durchflossenen Strombahn, die nach Überschreiten eines Stromgrenzwerts einer weiteren Erhöhung des Stroms durch Erhöhung ihres elektrischen Widerstands entgegenwirkt. Um hohe Ströme zu begrenzen, ohne dass die Betriebsbereitschaft nach einem Abschaltvorgang aufwändig wiederhergestellt werden muss, wird vorgeschlagen, dass die Strombahn CNT aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Element und eine Vorrichtung zum Begrenzen eines elektrischen Stroms, insbesondere eines Über- und/oder Kurzschlussstroms, gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5.
• Es ist bekannt, dass Schalter insbesondere in der Niederspannungsenergieverteilung für den Strom ausgelegt sein müssen, welcher im Überlast- und Kurzschlussfall auftritt. Entsprechend groß sind die Schalter zu dimensionieren.
• Weiter sind zur Begrenzung eines Über- und/oder Kurzschlussstroms Schmelzsicherungen bekannt, die nach dem Auslösen aber jeweils ausgewechselt werden müssen.
• Spezielle Sicherungen (Kaltleiter) funktionieren auch nach einer Abschaltung weiter; sie sind jedoch nur für Ströme bis 40 A geeignet und besitzen eine träge Strombegrenzungscharakteristik, weshalb sie für Lastkreise von Leistungsschaltern nicht in Frage kommen.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, große Ströme zu begrenzen, ohne die Betriebsbereitschaft nach dem Begrenzen wieder aufwendig herstellen zu müssen.
• Die Aufgabe wird bezogen auf das Element durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezogen auf die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 5 gelöst; die Unteransprüche entsprechen vorteilhaften Ausgestaltungen.
• Die Lösung sieht vor, dass die Strombahn (zur Erhöhung der Leitfähigkeit und zur Erzielung der Strombegrenzung) CNT (Kohlenstoffnanoröhren oder englisch Carbon Nanotubes) aufweist. Grundlage der Lösung ist die strombegrenzende Eigenschaft der CNTs. CNTs weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf, wobei sie ab Erreichen eines Grenzstroms einer weiteren Erhöhung des Stroms durch Erhöhung ihres elektrischen Widerstandes entgegenwirken. Als Strombegrenzer ermöglichen diese Elemente einen hohen Nennstrom bei relativ gutem Strombegrenzungsverhalten. Ein derartiger Strombegrenzer begrenzt den Strom bei Leistungsschaltern im Überlast- und/oder Kurzschlussfall nur für eine kurze Zeit, bis der Stromfluss vom Leistungsschalter vollständig unterbrochen wird. Während dieser Zeit muss die auftretende Verlustleistung vom Strombegrenzer aufgenommen und an die Umgebung abgeführt werden, was die bei CNTs vorhandene hohe Wärmeleitfähigkeit und gute thermische Anbindungsmöglichkeit ermöglicht.
• Eine hohe Wärmeleitfähigkeit und gute thermische Anbindung wird erreicht, wenn die Strombahn aus einem Metall und CNT gebildet ist.
• Dabei ist es von Vorteil, wenn das Metall und die CNTs einen Metallmaterialverbund bilden.
• Um selbst so wenig wie möglich Leistung zu verbrauchen, ist die Strombahn unterhalb des Stromgrenzwertes, insbesondere im Nennbetriebsbereich, (sehr) niederohmig ausgebildet.
• Eine Vorrichtung, die ein zur Strombegrenzung dienender elektrischer Schalter ist, lässt sich technisch einfacher ausführen, wenn die Strombahn und der Schalter in Reihe angeordnet sind.
• Der Vorteil dieser Art Strombegrenzung liegt darin, dass der Aufwand, der betrieben werden muss, um einen maximal möglichen Strom im Überlast- oder Kurzschlussfall abzuschalten, stark reduziert ist. Das strombegrenzende elektrische Element liegt im Lastkreis und hat im Nennbetriebsbereich (z. B. gegenüber Kupfer) einen geringeren Widerstand und weist damit verbunden geringere Leistungsverluste auf. Die strombegrenzende Wirkung setzt bei dem vorbestimmten Grenzwert relativ scharf ein, so dass kein schleichender Übergang zwischen Normalbetrieb und Strombegrenzung die Eigenschaften des Schalters stört und eine ausgeprägte Schaltcharakteristik zwischen diesen Bereichen einstellbar ist. Nach einem Überlast- und Abschaltvorgang ist das Element sofort wieder betriebsbereit. Dabei werden beim Einschaltvorgang auftretende Belastungsspitzen (etwa durch kapazitive oder induktive Lasten) ebenfalls abgefangen, wodurch sich wiederum Beschädigungen beim Einschalten vermeiden lassen. Die Einbettung der CNT im Metall ermöglicht es aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit, eine effiziente Verteilung und Abfuhr der Verlustwärme über ein externes Kühlelement sicherzustellen. Leistungsschalter können mit diesem Element kompakter ausgeführt werden.
• Die 1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung mit einem Schutzschalter 1, der zwei Schaltkontakte 2 aufweist. Parallel zu den beiden Schaltkontakten 2 liegt ein Löschkreis, dessen Löschbleche 3 in 1 schematisch dargestellt sind. In 1 liegen die Schaltkontakte 2 aneinander an, d. h. der Schutzschalter 1 ist geschlossen. Bei einem Kurzschluss wird der Schutzschalter geöffnet, d. h. die beiden Schaltkontakte 2 werden getrennt.
• In Reihe zum Schutzschalter 1 ist in 1 ein strombegrenzendes elektrisches Element 4 in Form einer Strombahn geschaltet, das aus einem Materialverbund besteht, bei dem CNTs (Kohlenstoffnanoröhren oder englisch Carbon Nanotubes) in einem Metall, z. B. Kupfer, eingebracht sind.
• CNT sind Makromoleküle, die sich aus Kohlenstoffatomen zusammensetzen und in einem Gerüst von Sechsecken zu winzigen langgestreckten Hohlzylindern angeordnet sind. Sie können auch als Röhren ineinander stecken.
• 1 zeigt das Ersatzschaltbild des Elements 4, bestehend aus einem „CNT-Element" 5 und einem Leitungswiderstand 6.
• Das vom Metall und den CNTs gebildete Element 4 ist als Metalldraht ausgebildet. Der Metalldraht besitzt (verbessert durch die in ihm enthaltenen CNTs) eine hohe Leitfähigkeit und ist entsprechend niederohmig.
• Wird der Metalldraht von einem Kurzschlussstrom (in 1 schematisch durch ein Impulszeichen 7 dargestellt) durchflossen, so erfolgt nach Überschreiten eines CNT-abhängigen Stromgrenzwerts unmittelbar eine Erhöhung des elektrischen Widerstands 6, d. h. der elektrische Widerstand 6 des Elements 4 wirkt oberhalb des Stromgrenzwerts einer weiteren Erhöhung des Stroms entgegen, was den Strom begrenzt.
• Die Ursache für diese Strombegrenzung ist die Eigenschaft der CNTs, dass ihr Stromleitungsmechanismus normalerweise ballistisch ist und bei Erreichen eines Stromgrenzwerts in die Sättigung geht, da die Stromleitung über den ballistischen Transport zusammenbricht.
• Ein derartiger Strombegrenzer begrenzt den Strom des Schutzschalters 1 im Überlast- und/oder Kurzschlussfall nur für eine kurze Zeit, nämlich bis der Stromfluss vom Schutzschalters 1 vollständig unterbrochen wird.
• Das elektrische Element 4 kann insbesondere in Schützen, Leistungsschaltern, Lasttrennschaltern, Motorstartern als auch in separaten Modulen zur Strombegrenzung eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Element (4) zum Begrenzen eines elektrischen Stroms, insbesondere eines Über- und/oder Kurzschlussstroms, mit einer im Betrieb von dem Strom durchflossenen Strombahn, die nach Überschreiten eines Stromgrenzwerts einer weiteren Erhöhung des Stroms durch Erhöhung ihres elektrischen Widerstands entgegenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombahn CNT aufweist.
2. Elektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombahn aus einem Metall und/oder aus einem nichtleitenden Material und CNT gebildet ist.
3. Elektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall und/oder das nichtleitende Material und CNT einen Materialverbund bilden.
4. Elektrisches Element nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombahn unterhalb des Stromgrenzwerts, insbesondere im Nennbetriebsbereich, niederohmig ist.
5. Elektrische Vorrichtung, insbesondere Schütz, Leistungsschalter, Lasttrennschalter, Motorstarter, separates Modul und Sensor, mit einer im Betrieb von dem Strom durchflossenen Strombahn, die nach Überschreiten eines Stromgrenzwerts einer weiteren Erhöhung des Stroms durch Erhöhung ihres elektrischen Widerstands entgegenwirkt und so den elektrischen Strom, insbesondere im Falle eines Über- und/oder Kurzschlussstroms, begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombahn CNT aufweist.
6. Elektrische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Strom begrenzender Schalter (1) ausgebildet ist, der im Falle eines Über- und/oder Kurzschlussstroms öffnet, und dass die Strombahn mit dem Schalter in Reihe geschaltet ist.