DE19800470A1

DE19800470A1 - Widerstandselement

Info

Publication number: DE19800470A1
Application number: DE19800470A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Glatz-Reichenbach; Ralf Dr Struempler; Joergen Dr Skindhoj; Felix Dr Greuter
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1998-01-09
Filing date: 1998-01-09
Publication date: 1999-07-15
Also published as: CN1143324C; EP0936632A1; ATE218242T1; CN1226733A; US6157290A; EP0936632B1; DE59804235D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Widerstandselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige sogenannte PTC-Widerstände weisen einen bei einer bestimmten Schaltstromdichte um mehrere Größenordnungen ansteigenden Widerstand auf und werden zur Strombegrenzung, vor allem im Kurzschlußfall, eingesetzt.

Die starke Steigerung des Widerstands bei Erreichen der Schaltstromdichte wird dadurch bewirkt, daß aufgrund der durch erhöhte Energieaufnahme bewirkten Erwärmung und Ausdehnung der Polymermatrix die eingebetteten leitenden Teilchen des ersten Füllstoffes getrennt werden. Es hat sich dabei als nachteilig erwiesen, daß dieser Effekt die Tendenz hat, sich in einer Schaltzone, die sich zwar über den Querschnitt des Widerstandselements erstreckt, aber in Stromrichtung verhältnismäßig kurz ist, zu konzentrieren, so daß die gesamte Spannung über eine kurze Strecke abfällt und der überwiegende Anteil der umgesetzten elektrischen Energie in einem sehr kleinen Volumen anfällt. Dies kann leicht zu Lichtbogenbildung und Beschädigung des Widerstandselements führen. Außerdem wird die Haltespannung des Elements, d. h. die Spannung, die es nach Unterbrechung eines Kurzschlusses ohne zu großen Leckstrom halten kann, dadurch herabgesetzt.

Es wurde auch bereits versucht, das diesbezügliche Verhalten derartiger Widerstandselemente dadurch zu verbessern, daß dem Material ein zweiter Füllstoff mit Varistorcharakteristik beigemischt wurde. Aus der US-A-5 313 184 etwa ist ein gattungsgemäßes Widerstandselement bekannt, das 5 bis 30%(Vol.) Varistormaterial in Pulverform als zweiten Füllstoff aufweist. Die Erwartungen betreffend eine Verbesserung der Spannungsfestigkeit des Widerstandselements wurden jedoch nicht in vollem Umfang erfüllt.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, gattungsgemäße Widerstandselemente derart weiterzubilden, daß ihre Spannungsfestigkeit wesentlich erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Bei erfindungsgemäßen Widerstandselementen erfolgt eine weitgehende Kommutierung des Stroms auf den zweiten Füllstoff im Bereich von Stromdichten und entsprechenden Feldstärken, wie sie typischerweise im Schaltbereich des Widerstandselements auftreten. Dadurch wird sichergestellt, daß die Ausbildung einer schmalen Schaltzone nicht zu einer sofortigen Stromunterbrechung - eventuell gefolgt von Lichtbogenbildung oder einem Durchschlag - führt, sondern daß der Strom über die Teilchen des zweiten Füllstoffs kurzzeitig weiter fließt und sich dabei die Schaltzone so weit verbreitert, daß sie auch hohe Spannungen ohne Beschädigung des Widerstandselements zu tragen vermag.

Die dadurch erzielten Vorteile liegen vor allem darin, daß wesentlich höhere Kurzschlußspannungen unterbrochen werden können und daß auch die Haltespannung wesentlich höher liegt als bei bekannten gattungsgemäßen Widerstandselementen. Die diesbezüglichen Leistungen erfindungsgemäßer Widerstandselemente können sonst nur mittels aufwendiger Serienparallelschaltungen von Widerstandselementen und Varistoren erzielt werden.

Im folgenden wird nun die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Versuchsergebnissen dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 den Versuchsaufbau, mit denen die weiter unten geschilderten Ergebnisse gewonnen wurden.

Es wurden mehrere Mischungen hergestellt, indem jeweils 50%(Vol.) einer Matrix aus dem Polyäthylen HX5231 der BASF mit 30%(Vol.) eines ersten Füllstoffes, und zwar TiB₂-Pulver der Elektroschmelze Kempten, bei welchem die Partikelgrößen über ein Intervall von 10-30 µ verteilt waren und 20%(Vol.) eines zweiten Füllstoffs vermischt wurden. Lediglich bei einer Referenzprobe Ref wurden 50%(Vol.) des ersten Füllstoffes zugemischt und kein zweiter Füllstoff. Im folgenden werden die Proben nach dem zweiten Füllstoff bezeichnet. Im einzelnen:
ZnO: ZnO-Pulver
Var: Pulver aus Varistormaterial, d. h. mit verschiedenen Metalloxiden dotiertes ZnO
ZnO+: Pulver aus mit Al dotiertem ZnO
SiC+f (fein): Pulver aus mit Al dotiertem SiC, Teilchengrößen 45-75 µ
SiC+m (mittel): Pulver aus mit Al dotiertem SiC, Teilchengrößen 90-125 µ
SiC+g (grob): Pulver aus mit Al dotiertem SiC, Teilchengrößen 150-212 µ.

Das mit Al dotierte SiC wurde von der Elektroschmelze Kempten bezogen. ZnO wurde von Merck bezogen und dotiert. Aus den Mischungen wurden Widerstandselemente hergestellt und Versuche durchgeführt, indem sie in eine Schaltung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, eingebaut und Kurzschlußströmen ausgesetzt wurden. Dazu wurde jeweils ein Kondensator C auf 300 V, 850 V bzw. 1200 V aufgeladen. Die Dimensionierung des Kondensators C und der in Reihe geschalteten Induktivität L wurden jeweils so gewählt, daß ein Kurzschlußstrom von 12 000 A, bezogen auf 50 Hz resultierte. Der Kurzschlußstrom wurde durch Schließen eines Schalters S bei aufgeladenem Kondensator C erzeugt. Dem geprüften Widerstandselement PTC war stets ein Varistorelement Var als Überspannungsschutz parallelgeschaltet. Neben der Messung elektrischer Parameter wurden auch Aufnahmen der Widerstandselemente mit einer Thermokamera gemacht, die es erlaubten, die Energieverteilung, insbesondere die Länge der Schaltzone sowie allfällige Beschädigungen festzustellen. Vorgängig wurden ein oder zwei Werte für Feldstärke, Stromdichte und spezifischen Widerstand der als zweiter Füllstoff verwendeten Pulver bei einer Temperatur von 25°C und einem Elektrodenanpreßdruck von 9,38 MPa ermittelt.

Die bei den Versuchen gewonnenen Resultate sind der Tabelle am Ende der Beschreibung zu entnehmen. Leere Felder in dieser Tabelle bedeuten "nicht anwendbar", "\", daß kein Versuch gemacht wurde, "-", daß das Widerstandselement bei der Messung beschädigt wurde, und "+", daß das Widerstandselement den Versuch unbeschädigt überstand, aber kein Meßwert ermittelt wurde.

Aus den Versuchsergebnissen läßt sich ablesen, daß für eine Ausdehnung der Schaltzone der spezifische Widerstand des zweiten Füllstoffs, gemessen am Pulver bei ausreichend großem Elektrodenanpreßdruck - er sollte möglichst einige MPa/cm² betragen - für die Länge der Schaltzone und damit für eine breite Energieverteilung wesentlich ist. Er sollte auf jeden Fall weit unter den Werten für die zum Vergleich ausgemessenen Pulver aus undotiertem ZnO und aus Niederspannungs-Varistormaterial, das durch Sintern aus D70 der Firma Merck als Ausgangsmaterial hergestellt wurde, liegen. Möglichst sollte er bei Feldstärken, wie sie im Schaltbereich gewöhnlich auftreten - 2000 V/cm und darüber - höchstens 50 Ωcm betragen, vorzugsweise jedoch höchstens 20 oder besser 15 Ωcm, Werte, wie sie an Pulvern von mit Al dotiertem ZnO und SiC gemessen wurden.

Ebenfalls von beträchtlicher Bedeutung sind die Teilchengrößen. Sind die Teilchen des zweiten Füllstoffs nicht oder nur unwesentlich größer als die des ersten Füllstoffes, so dürften sie zur Überbrückung nach Trennung der Teilchen desselben im Schaltbereich nicht ausreichen. Der zweite Füllstoff kann seine Funktion nicht im erforderlichen Ausmaß erfüllen. Die durchschnittliche Teilchengröße des zweiten Füllstoffes sollte also diejenige des ersten Füllstoffes deutlich übertreffen, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 2. Bei verhältnismäßig grobkörnigem zweitem Füllstoff dagegen zeigt sich eine unregelmäßige Stromverteilung im Schaltbereich, die zu hohen lokalen Energieaufnahmen führt und sich ungünstig auf die Spannungsfestigkeit des Widerstandselements auswirkt. Der Faktor, um den die durchschnittliche Teilchengröße des zweiten Füllstoffes diejenige des ersten Füllstoffes übertrifft, sollte daher im allgemeinen nicht größer als 5 sein.

Für das Material des ersten Füllstoffs ist natürlich auch eine andere Wahl möglich als das angegebene TiB₂, z. B. TiC, VC, WC, ZrBr₂, MoSi₂. Wichtig ist, vor allem im Interesse guter Kaltleiteigenschaften, ein niedriger spezifischer Widerstand. Er sollte möglichst nicht höher als 10^-3 Ωcm sein. Auch für den zweiten Füllstoff ist, wie oben ausgeführt, der spezifische Widerstand entscheidend wichtig. Der spezifische Widerstand des Materials sollte möglichst nicht kleiner als 10^-2 Ωcm sein. Der spezifische Widerstand des Pulvers sollte bei tieferen Feldstärken ohnedies hoch sein, damit das Widerstandselement eine hohe Haltespannung mit geringem Leckstrom halten kann. Erst bei den im Schaltbereich des Widerstandselements auftretenden Feldstärken von mindestens 2000 V/cm sollte er auf die weiter oben angegebenen verhältnismäßig tiefen Werte abfallen, d. h. das Pulver sollte eine ausgeprägte Varistorcharakteristik aufweisen. Außer mit Al-dotiertem SiC oder ZnO sind die verschiedenen Anforderungen an den zweiten Füllstoff auch mit SiC oder ZnO, das mit B, Ga, In oder N, P, As dotiert ist, erfüllbar oder mit anderen entsprechend dotierten Halbleitern. Für die Polymermatrix wird ein Thermoplast wie z. B. HD-Polyäthylen oder ein Duromer bevorzugt.

Beim ersten Füllstoff sollten die Teilchengrößen im Interesse eines raschen Ansprechens gering sein und vorzugsweise im wesentlichen zwischen 10 µ und 40 µ liegen. Beim zweiten Füllstoff sollten sie, wie erwähnt, höher sein, vorzugsweise zwischen 50 µ und 200 µ. Die Zusammensetzung des Widerstandskörpers kann natürlich von der in den Versuchen eingesetzten abweichen. Bevorzugt werden Anteile von 30 bis 70%(Vol.) für den ersten Füllstoff und zwischen 10 und 40%(Vol.) für den zweiten Füllstoff, wobei sie jedoch zusammen nicht mehr als höchsten 90%(Vol.) der Mischung ausmachen.

Claims

1. Elektrisches Widerstandselement mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten Widerstandskörper aus einer Polymermatrix und einem ersten pulverförmigen Füllstoff aus einem Material, welches einen spezifischen Widerstand von höchstens 10^-3 Ωcm aufweist und einem zweiten pulverförmigen Füllstoff, der einen mit zunehmender Feldstärke abnehmenden spezifischen Widerstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des zweiten Füllstoffs bei Feldstärken ≧ 2000 V/cm nicht größer als 50 Ωcm ist.

2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Materials des zweiten Füllstoffs mindestens 10^-2 Ωcm beträgt.

3. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Teilchengröße des zweiten Füllstoffs über derjenigen des ersten Füllstoffs liegt.

4. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus der durchschnittlichen Teilchengröße des ersten Füllstoffs und der durchschnittlichen Teilchengröße des zweiten Füllstoffs mindestens 2 beträgt.

5. Widerstandselement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus der durchschnittlichen Teilchengröße des ersten Füllstoffs und der durchschnittlichen Teilchengröße des zweiten Füllstoffs höchstens 5 beträgt.

6. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Füllstoff im wesentlichen aus mindestens einem der folgenden Stoffe besteht: Pulver von dotiertem SiC, Pulver von dotiertem ZnO.

7. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengrößen des zweiten Füllstoffs im wesentlichen zwischen 50 µ und 200 µ liegen.

8. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Füllstoff im wesentlichen aus Pulver von TiB₂, TiC, VC, WC oder ZrBr₂ besteht.

9. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengrößen des ersten Füllstoffs im wesentlichen zwischen 10 µ und 40 µ liegen.

10. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymermatrix im wesentlichen aus einem Thermoplasten, insbesondere einem HD-Polyäthylen oder aus einem Duromer besteht.

11. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des ersten Füllstoffs am Widerstandskörper zwischen 30 und 70%(Vol.) beträgt.

12. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des zweiten Füllstoffs am Widerstandskörper zwischen 10 und 40%(Vol.) beträgt.