DE19534442A1

DE19534442A1 - Überstromschutzvorrichtung

Info

Publication number: DE19534442A1
Application number: DE1995134442
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Glatz-Reichenbach; Jan Kuhlefelt; Ralf Dr Struempler
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1995-09-16
Filing date: 1995-09-16
Publication date: 1997-03-27

Description

Technisches Gebiet

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Überstromschutz vorrichtung mit einem mit Hochspannung beaufschlagbaren Stromleiter und mit einer im Leitungszuge des Stromleiters angeordneten und von einer Auslösespule ansteuerbaren Schalt stelle. Die Auslösespule wird oberhalb eines Schwellwertes des im Stromleiter geführten Stroms nach einer vorgegebenen Zeitspanne aktiviert. Dies wird durch einen Stromwandler erreicht, welcher den im Stromleiter geführten Strom in einen die Auslösespule enthaltenden Sekundärstromkreis abbildet.

Stand der Technik

Eine solche Vorrichtung wird von der Fa. ABB Distribusjon AS, N-3701 Skien, schon seit langen zum Schutz von Netzen mit Nennspannungen von typischerweise 11 oder 17 kV verwendet und enthält eine im Sekundärstromkreis des Stromwandlers liegen de, parallel zur Auslösespule geschaltete Schmelzsicherung. Tritt ein Überstrom im Netz auf, so schmilzt der vom Strom wandler in den Sekundärstromkreis abgebildete Strom diese Sicherung auf und kommutiert der Strom danach in einen die Auslösespule enthaltenden Strompfad. Die Auslösespule bewirkt dann ein Öffnen der im Primärstromkreis vorgesehenen Schalt stelle. Typische Nennstromwerte einer derartigen Schmelz sicherung betragen 3 bis 15 A. Beim Ansprechen der Sicherung darf die Spannung im Sekundärstromkreis bis zu 950 V betragen. Nach einem Schaltvorgang muß die Schmelzsicherung jedoch ersetzt werden.

In DE 43 40 632 A1 ist eine elektrische Schaltvorrichtung beschrieben, welche einen Netzleiter eines Mittel- oder Hochspannungsnetzes beim Auftreten eines Überstroms unter bricht. Dies wird durch ein in Reihe mit einem elektrischen Lasttrennschalter geschaltetes PTC-Element erreicht, das den auftretenden Überstrom auf vom Lasttrennschalter schaltbare Werte begrenzt. An diesem PTC-Element liegt beim Begrenzen des Stroms häufig eine ganz erhebliche Überspannung an, welche durch parallel geschaltete Steuerelemente, wie insbesondere Varistoren, reduziert werden muß.

Aus EP 0 363 746 A1 ist ein in Niederspannungsnetzen einsetz barer Motorschutzschalter bekannt mit einer Schaltstelle und mit einem in Reihe zur Schaltstelle geschalteten PTC-Element. Ein im Netz auftretender Überstrom wird vom PTC-Element begrenzt und in eine parallel zum PTC-Element geschaltete Auslösespule kommutiert, welche ein Öffnen der Schaltstelle bewirkt. Obwohl dieser Schalter nur in Niederspannungsnetzen eingesetzt wird, benötigt er zur schnellen Wiederherstellung seiner Spannungsfestigkeit einen parallel zum PTC-Element geschalteten Varistor.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überstromschutzvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche einfach und kostengünstig ausgebildet ist, und dennoch mit geringem Wartungsaufwand betrieben werden kann.

Die Überstromschutzvorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie aus preisgünstigen Komponenten aufgebaut ist und mehrfach Schaltvorgänge ausführen kann, ohne daß Wartungsarbeiten, wie etwa das Auswechseln von Schmelzsicherungen, ausgeführt werden müssen. Dies ist eine Folge des im Sekundärstromkreis angeordneten PTC-Elementes, welches lediglich die vom Stromwandler abgebildeten, geringen Ströme führen muß und wegen seiner Anordnung im Sekundär stromkreis keine Vorrichtung zum Steuern von unerwünschten Überspannungen benötigt, die beim Unterbrechen eines starken Kurzschlußstroms im Primärstromkreis entstehen können.

Die Überstromschutzvorrichtung nach der Erfindung weist mit Vorteil ein PTC-Element mit einem Widerstandskörper aus einem Verbundwerkstoff mit einer Polymer-Matrix und einem in die Polymer-Matrix eingebetteten pulverförmigen Füllstoff aus elektrisch leitfähigem Material, welches gegenüber Ruß oder Silber härter und oxidationsbeständiger ist, auf. Besonders geeignete Füllstoffe - allein oder in Mischung - sind typi scherweise Metallboride, wie TiB₂ oder ZrB₂, Metallcarbide, wie TiC oder VC, Metallnitride, wie TiN, Metalloxide, wie RuO₂, und/oder Metallsilizide, wie MoSi₂ oder WSi₂ und/oder ein Metall, wie insbesondere Mo, Ni und/oder W. Die Füllstof fe können massive und/oder hohle Teilchen aufweisen. Sie können aber auch Teilchen von Kern-Schale-Struktur aufweisen, wobei die Schale aus einem der vorgenannten Boride, Carbide, Nitride, Oxide oder Silizide und der Kern aus einem praktisch unlegierten Metall, wie Ni, W, Ti, Zr, Mo, Co oder Al, einer Legierung, wie Messing, oder einem Oxid auf der Basis von Ti oder V, wie insbesondere TiO, V₂O₃ oder VO, gebildet ist. Durch Auswahl harter Füllstoffteilchen wird zugleich erreicht, daß bei dem zum PTC-Übergang führenden Erwärmen des Elementes die einzelnen Füllstoffteilchen infolge der sich dehnenden Polymermatrix rasch voneinander getrennt werden und somit ein Verkleben der Teilchen, wie dies bei vergleichsweise weichen Füllstoffen möglich ist, mit Sicherheit vermieden wird.

Das Polymer kann ein Duromer, etwa ein Epoxid, oder ein Thermoplast, insbesondere ein solches mit einem hohen kristallinen Anteil und einer dementsprechend hohen Schmelztemperatur sein, wie insbesondere ein Polyäthylen (PE), ein Polypropylen (PP), ein Polyurethane (TPU), ein Polybutylenterephtalat (PBT), ein Polyäthylenterephtalat (PET), ein Polyäthylennaphtalat (PEN), ein Polyphenylensulfid (PPS), ein syndiotaktisches Polystyrol (s-PS), ein Polyäther ätherketon (PEEK), ein Polyarylätherketon (PAEK), ein Poly benzamidazol (PBI), ein Fluorkunststoffe, ein thermoplasti sches Polyimid (TPI) oder Copolymere oder Mischungen davon.

Eine mit einem solchen PTC-Element ausgerüstete Überstrom schutzvorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie äußerst schnell auf einen Kurzschluß- oder Überstrom anspricht und so schon zu einem frühen Zeitpunkt den Überstrom begrenzen kann. Zudem nimmt ein derart ausgebildetes PTC-Element relativ wenig Energie auf und bleibt weitgehend von unzulässig hohen thermischen und elektrischen Belastungen verschont. Daher und da in einem solchen PTC-Element überhitzte lokale Bereiche nahezu vermieden werden, weist die Überstromschutzvorrichtung nach der Erfindung eine große Betriebssicherheit auf.

Der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs sollte eine Fraktion von Teilchen aufweisen, deren mittlerer Durchmesser kleiner 100 µm, insbesondere kleiner 70 µm, und größer 5 µm ist. Ein besonders rasches Ansprechen wird erreicht, wenn der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durchmesser kleiner 30 µm oder sogar kleiner 20 µm ist, und deren mittlerer Durchmesser größer 10 µm ist. Eine ausreichende Kaltleitfähigkeit weist das PTC-Element mit einem Füllstoffgehalt von mindestens 30 Volumenprozent auf.

Eine weitere Verbesserung des Ansprechverhaltens des erfindungsgemäßen PTC-Elements wird erzielt, wenn die Füllstoffteilchen hohl ausgebildet sind oder eine geringe Masse aufweisen, da dann aufgrund einer relativ geringen spezifischen Wärme eine besonders rasche Erwärmung des Polymers erreicht werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Überstromschutz vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 Diagramme, in denen bei der Überstromschutz vorrichtung nach Fig. 1 der Verlauf der in deren Phasenleitern geführten Ströme I_r, I_s und I_t, der Verlauf des an deren Auslösespule anliegenden Spannungssignals, der Verlauf des von deren PTC- Element geführten Stroms und der Verlauf der über dem PTC-Element abfallenden Spannung in Funktion der Zeit t dargestellt sind, und

Fig. 3 ein Diagramm, in dem das durch die Zeit t bestimmte Ansprechverhalten einer weiteren Überstromschutz vorrichtung nach der Erfindung und von Überstrom schutzvorrichtungen nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von dem in einem der Phasenleiter geführten Strom dargestellt ist.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Die in Fig. 1 dargestellte Überschutzvorrichtung enthält einen Phasenleiter R eines dreiphasigen Mittelspannungsnetzes mit einer Nennspannung von 17 kV. Dieser Phasenleiter stellt die Primärwicklung eines Stromwandlers CT dar. Die Sekundärwick lung U des Stromwandlers liegt parallel zu einem PTC-Element PTC und zu einer Auslösespule TC. Im Leitungszug des Leiters R ist eine in Reihe zum Stromwandler CT geschaltete Schalt stelle CB angeordnet. Diese Schaltstelle weist einen auf einen beweglichen Schaltstellenkontakt wirkenden, nicht dargestellten Antrieb auf, welcher über ein Auslösesignal der Spule TC aktiviert werden kann und dann ein Öffnen der Schaltstelle sowie von nicht dargestellten Schaltstellen für die beiden anderen Netzphasen bewirkt. Die Überstromschutz vorrichtung enthält für die beiden weiteren Netzphasen entsprechend aufgebaute und entsprechend wirkende Schutz vorrichtungen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 1 nicht dargestellt sind.

Das PTC-Element wurde durch Vermischen von ca. 50 Volumen prozent Polyäthylen mit ca. 50 Volumenprozent TiB₂, Pressen der resultierenden Mischung bei erhöhter Temperatur zu einem Ausgangsmaterial, Schneiden eines quaderförmigen Widerstands körpers aus dem Ausgangsmaterial von ca. 5 mm Länge und ca. 0,6 mm² Querschnitt mit geglätteten und polierten Stirnflä chen und Anpressen zweier Elektroden auf die Stirnflächen gebildet. Dieses PTC-Element wies einen Kaltwiderstand von ca. 30 mΩ auf. Die Teilchengrößen des TiB₂ lagen zwischen ca. 10 und ca. 30 µm.

Vor der Inbetriebnahme der Überstromschutzvorrichtung wurde das PTC-Element gezielt einem Alterungsvorgang unterzogen. Dieser Alterungsvorgang bestand darin, daß mit der Über stromschutzvorrichtung vor ihrer Inbetriebnahme ein starker Überstrom, beispielsweise von 1,6 kA, abgeschaltet wird. Der Wert des Kaltwiderstands erhöhte sich nach diesem ersten Abschaltvorgang auf ca. 60 mΩ und behielt auch nach weiteren 5 Abschaltungen des gleichen Überstroms diesen Wert nahezu unverändert bei.

Diese Überstromschutzvorrichtung wirkt wie folgt:
Bei normalen Betriebsbedingungen fließt im Phasenleiter R ein Strom von beispielsweise 25 A. Der Stromwandler CT bildet den im Leiter R geführten Strom in den die Auslösespule TC und die Sekundärwicklung U enthaltenden Sekundärstromkreis ab. Das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers und die Stromtragfähigkeit des PTC-Elements sind so bemessen, daß bei Erreichen eines Stromschwellwertes die durch den abgebildeten Strom im PTC-Element erzeugte Stromwärme innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne einen PTC-Übergang hervorruft. Bei einem Übersetzungsverhältnis von typischerweise 100 : 5 fließt dann im PTC-Element ein Strom von 1,25 A, welcher eine Stromwärme von wenigen mW erzeugt und das PTC-Element lediglich um einige °C erwärmt. Tritt im Netz ein Über- oder Kurzschlußstrom, beispielsweise von 1,6 kA, auf, so fließt in der Sekundärwicklung des Stromwandlers CT je nachdem, ob der Wandler noch linear verstärkt oder bereits in einem durch Sättigung seines Ferromagnetikums nichtlinear verstärkenden Bereich arbeitet, ein Strom von bis zu 80 A. Dieser Strom erzeugt im PTC-Element eine Stromwärme von mehr als 10 W, welche das PTC-Element rasch stark aufheizt.

Bei einer von der Beschaffenheit des Polyäthylens abhängigen kritischen Temperatur von typischerweise ca. 140°C findet ein PTC-Übergang statt und wird der Strom nun stark begrenzt. Die erforderliche Zeit zur Begrenzung des Kurzschluß- oder Über stroms hängt vom spezifischen Widerstand, der spezifischen Dichte und der spezifischen Wärme des Materials des PTC- Elements sowie seinem Querschnitt und seiner Länge zwischen seinen Anschlußelektroden ab. Durch den hinsichtlich seiner makroskopischen und mikroskopischen Eigenschaften geeignet gewählten Füllstoff, nämlich elektrisch gut leitendes und mechanisch hartes Material, wird die Ansprechzeit des PTC- Elementes und damit auch diejenige der Überstromschutz vorrichtung gering gehalten.

Im PTC-Element wird jedoch die vom Kurzschluß- oder Über strom zugeführte Energie nicht homogen umgesetzt. Der Widerstand weist von den leitfähigen Teilchen gebildete perkolierende Strompfade auf. Der größte elektrische Widerstand und damit auch die größte Umsetzung von elektrischer in thermische Energie findet am elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Füllstoffteilchen statt. Die an den Kontaktstellen erzeugte thermische Energie erhitzt das die Füllstoffteilchen einbettende Polymer. Sind die Füll stoffteilchen relativ groß, beispielsweise größer 100 µm, so bilden sich zwischen den einzelnen Teilchen relativ große mit Polymer gefüllte Lücken. Sind hingegen die Füllstoffteil chen relativ klein, so bilden sich zwischen den einzelnen Teilchen lediglich relativ kleine mit Polymer gefüllte Lücken. Die an den Kontaktstellen umgesetzte Energie kann das in den kleinen Lücken befindliche Polymer sehr viel schneller erwärmen als das in den großen Lücken befindliche Polymer. Die zur Durchführung des PTC-Übergangs benötigte kritische Temperatur wird daher bei kleineren Füllstoffteilchen rascher erreicht. Jedoch darf der überwiegende Teil der Füllstoff teilchen nicht kleiner 10 im sein, da sonst der spezifische Widerstand des PTC-Elementes wegen der großen Anzahl an Übergangskontakten zwischen den Füllstoffteilchen zu groß wird.

Beim PTC-Übergang steigt der ohmsche Widerstand des PTC- Elementes stark, beispielsweise um einen Faktor von 1000 oder mehr, an. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, fällt dann der Strom I_ptc durch das PTC-Element stark ab und steigt zugleich die vom Element gehaltene Spannung U_ptc stark an. Ca. 250 ms nach Auftreten des Überstroms I_r im Leiter R (Fig. 2) kommutiert der in der Sekundärwicklung U des Stromwandlers CT fließende Strom in einen die Auslösespule TC enthaltenden Strompfad. Die Auslösespule TC gibt dann nach wenigen Millisekunden einen in Fig. 2 als OFF gekennzeichneten Ausschaltbefehl an den Antrieb der Schaltstelle CB ab, wodurch die Schaltstelle CB geöffnet und der Überstrom nach ca. 100 weiteren Millisekunden abgeschaltet wird.

Nach Abkühlen des PTC-Elementes ist die Überstromschutz vorrichtung wieder betriebsbereit und kann die Schaltstelle geschlossen werden. Es hat sich gezeigt, daß der Kaltwider stand des PTC-Elementes nach dem Abschalten praktisch unver ändert 60 mΩ beträgt, was die hervorragende Wiederverwend barkeit des PTC-Elementes auch nach mehrmaligem Ansprechen der Überstromschutzvorrichtung selbst bei großen Über- und Kurzschlußströmen dokumentiert.

In Fig. 3 ist das Ansprechverhalten einer Überstromschutz vorrichtung nach der Erfindung mit einem PTC-Element auf der Basis eines elektrisch gut leitenden und mechanisch harten Füllstoffs, wie insbesondere TiB₂, sowie vergleichbar dimensionierter Überstromschutzvorrichtungen nach dem Stand der Technik, nämlich einer Schutzvorrichtung mit einer Schmelzsicherung und einer Schutzvorrichtung mit einem elektronisch gesteuerten Relais, angegeben. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, daß die Überstromschutzvorrichtung mit dem PTC-Element auf niedrige Überströme, beispielsweise auf Überströme, welche das ca. 2-10-fache des Nennstroms I_n betragen, wesentlich rascher reagiert als Überstromschutz vorrichtungen mit Schmelzsicherungen oder mit elektronischen Relais und bereits beim ca. 1,7-fachen des Nennstroms abschalten kann.

Bezugszeichenliste

CB Schaltstelle
CT Stromwandler
PTC PTC-Element
TC Auslösespule
R Phasenleiter
U Sekundärwicklung

Claims

1. Überstromschutzvorrichtung mit einem mit Hochspannung beaufschlagbaren Stromleiter (R), einer im Leitungszug des Stromleiters (R) angeordneten Schaltstelle (CB), einer auf die Schaltstelle (CB) wirkenden Auslösespule (TC) und einem Stromwandler (CT), welcher im Stromleiter (R) geführten Strom in einen die Auslösespule (TC) enthaltenden Sekundärstromkreis abbildet, wobei der abgebildete Strom oberhalb eines Schwellwerts des Stroms eine Aktivierung der Auslösespule (TC) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Auslösespule (TC) mindestens ein PTC-Element (PTC) geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Element (PTC) einen Widerstandskörper aus einem Verbundwerkstoff mit einer Polymer-Matrix und einem in die Polymer-Matrix eingebetteten pulverförmigen Füllstoff aus elektrisch leitfähigem Material aufweist, bei dem als Füllstoff ein Material ausgewählt wird, welches gegenüber Ruß oder Silber härter und oxidationsbeständiger ist.

3. Vorrichtung nach Anspruche 2, dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durchmesser kleiner 100 µm und größer 5 µm ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durch messer kleiner 70 µm ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durchmesser kleiner 30 µm ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durchmesser kleiner 20 µm ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durchmesser größer 10 µm ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff elektrisch leitende Teilchen in Form mindestens eines Metallborids, -carbids, -nitrids, -oxids und/oder -silizids und/oder eines Metalles und/oder einer Legierung auf der Basis des Metalls vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Füllstoff mindestens 30 Volumenprozent beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das PTC-Element vor der Inbetrieb nahme der Vorrichtung durch Ausführung mindestens eines PTC-Überganges gezielt einem Alterungsvorgang unterzogen wurde.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis des Stromwandlers (CT) und die Stromtragfähigkeit des PTC- Elements (PTC) derart bemessen sind, daß bei Erreichen des Stromschwellwertes die durch den abgebildeten Strom im PTC-Element (PTC) erzeugte Stromwärme innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne einen PTC-Übergang hervorruft.