DE3544647A1 - Fehlerstromschalter - Google Patents

Description

Die US-Patentschriften 43 29 726 und 44 13 301 beschreiben Materialien mit positivem Temperaturkoeffizienten, die in dem Bereich von 5 bis 100 Ampere eingesetzt werden können und in Reihenschaltung mit trennbaren Kontaktstücken ver­ wendet werden, um für einen Schutz durch den erhöhten Reihen­ widerstand in einem zu schützenden Stromkreis zu sorgen, wenn das einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC)- Material höhere Ströme als einen vorbestimmten Wert führt.

Die Verwendung eines Materials mit einem negativen Tempera­ turkoeffizienten innerhalb eines Schalters ist in der US- Patentschrift 40 19 097 beschrieben. Dort wird die Verwen­ dung eines Materials, wie beispielsweise Vanadiumdioxid oder Lantankobaltoxid, in Reihe mit einem Flußübertragungs- Auslösemechanismus beschrieben. Die thermischen Ansprech­ eigenschaften der vorgenannten Materialien werden dazu ver­ wendet, das Bestehen eines Überstromzustandes abzutasten und zu gestatten, daß der Strom durch einen Auslösemecha­ nismus auf einen Betriebswert ansteigt. Die Materialien gemäß den US-Patentschrift 43 29 726 und 44 13 301 sind jedoch nicht in der Lage, einen ausreichenden Strom zu führen, um für einen Überstromschutz in einem Stromkreis zu sorgen, wie er beispielsweise durch einen Schalter mit einem ausgeformten Gehäuse geschützt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Fehlerstromschalter zu schaffen, der Widerstände mit einem positiven Temperatur­ koeffizienten in Stromkreisen bzw. Schaltungsanordnungen ver­ wendet, die den Strom in Haushalts- und Industrie-Stromsammel­ leitern schalten können, ohne dabei beschädigt oder zerstört zu werden.

Erfindungsgemäß werden Fehlerstromschalter geschaffen, die wiederholt Fehlerströme in Schaltern mit ausgeformtem Gehäuse und bestimmten Nennleistungen schalten können und die einen Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) und einen spannungsabhängigen Widerstand (VDR) parallel zu zwei mechanisch geschalteten Kontaktstücken aufweisen. Bei einer Trennung bzw. Öffnung der Kontaktstücke fließt der Strom zu­ nächst durch den PTC-Widerstand mit einem anfänglich kleinen Widerstand. Der Stromfluß durch das PTC-Material erhitzt dieses schnell, wobei dessen Widerstand um mehrere Größenordnungen an­ steigt. Die Spannung über dem PTC-Widerstand und dem spannungs­ abhängigen Widerstand VDR, in Parallelschaltung, steigt rasch auf die Klemmspannung des spannungsabhängigen Widerstandes, wodurch dieser durchschaltet und den Strom überträgt. Da die Spannung über dem spannungsabhängigen Widerstand wesentlich größer als die Versorgungsspannung ist, fällt der Strom dann rasch auf einen kleinen Wert ab, wodurch zwei Hilfskontakte den Stromunterbrechungsprozeß abschließen können. Die Erfin­ dung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Schaltbild von einer Stromunterbrechungsan­ ordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Schaltbild von einem anderen Ausführungsbei­ spiel der Unterbrechungsanordnung gemäß Fig. 1.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Widerstand und der Temperatur des einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden Widerstandes, der in den Fig. 1 und 2 verwendet ist.

Zwar ist die Verwendung von PTC-Widerständen als Reihenelemente in Schaltvorrichtungen bekannt, aber die Verwendung eines der­ artigen Materials als ein parallel geschaltetes Element zum Über­ tragen von Strom von den öffnenden Kontaktstücken auf einen spannungsabhängigen Widerstand zum Eliminieren eines zwischen den Kontaktstücken auftretenden Lichtbogens ist bisher nicht angegeben worden.

Es können zwar verschiedene Materialien in PTC-Widerständen verwendet werden, die jeweils für besondere Charakteristiken sorgen, aber Materialien auf der Basis von Bariumtitanat (BaTiO₃) sind bestens bekannt und für die Unterbrechung kleine­ rer Ströme geeignet. Zusammengesetzte Metall-Isolator-Materia­ lien für hohe Ströme, die einen Übergang von einem kleinen zu einem großen Widerstand als eine Funktion der steigenden Tempe­ ratur durchlaufen, werden derzeit untersucht.

Ein derartiger Fehlerstromschalter, der PTC-Material verwendet, ist in Fig. 1 gezeigt. Der Fehlerstromschalter 10 ist über eine Hauptkontaktanordnung 15 geschaltet, die aus feststehenden Kon­ takten 11, 12 und Brückenkontakten 13, 14 bestehen, die bei einem Überlaststrom durch eine Stromsammelleitung 16 getrennt werden. Der Strom durch die Sammelleitung wird durch einen Stromtransformator abgetastet, dessen Primärwicklung durch die Sammelleitung gebildet ist und dessen Sekundärwicklung mit einem Betätigungsmechanismus verbunden ist, um die Kontakt­ anordnung 15 schnell zu öffnen, wenn der Strom einen vorbe­ stimmten Wert erreicht. Die Verwendung eines derartigen Strom­ transformators und Betätigungsmechanismus in einer zu schützen­ den Schaltungsanordnung ist beispielsweise in den US-Patent­ schriften 41 15 829 und 40 01 742 beschrieben. Der Fehlerstrom­ schalter 10 liefert eine Funktion ähnlich einem Festkörper- Strombegrenzungsschalter, bei dem eine "lichtbogenlose Unter­ brechung" zwischen den Kontaktstücken auftritt, indem der Strom von den Kontaktstücken weg über einen Festkörperschalter übertragen wird. Eine Hilfskontaktanordnung 17 mit einem fest­ stehenden Kontaktstück 19 und einem bewegbaren Kontaktstück 18 kann auch in Verbindung mit dem Fehlerstromschalter 10 verwen­ det werden, wenn dies gewünscht ist. Die Sammelleitung 16 ist mit einer Stromquelle durch einen Leistungsanschluß 20 und mit einer Betriebslast durch einen Lastanschluß 21 verbunden. Ein Widerstand 22 mit positivem Temperaturkoeffizienten, der nachfolgend PTC-Widerstand genannt wird, ist der trennbaren Kontaktanordnung 15 und einem spannungsabhängigen Wider­ stand VDR, wie beispielsweise einen Metalloxidvaristor (MOV) 23, durch Leitungen 24 und 25 parallel geschaltet. Ein typischer PTC-Widerstand aus BaTiO₃ ist beispielsweise beschrieben in Philips Technical Review mit dem Titel "PTC Thermistors As Self Regulating Heating Elements" von E. Andrich. Ein derarti­ ger PTC-Widerstand hat die bei 26 in Fig. 3 gezeigten Charak­ teristiken, wobei der Logarithmus des Widerstandes in Ohm plötzlich ansteigt und im wesentlichen bei einer vorbestimm­ ten Temperatur in der Größenordnung von beispielsweise 100°C bis 160°C. Im Betrieb des Fehlerstromschalters 10 fließt bei einer Öffnung der Kontaktanordnung 15 der Strom sofort durch den PTC-Widerstand 22 mit einer kleinen Anfangstemperatur und einem kleinen Anfangswiderstand, wie es durch die Charakteri­ stiken angegeben ist, die vorstehend in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurden. Der Strom fließt durch den PTC-Widerstand, wodurch dessen Temperatur und Widerstand rasch ansteigen, so daß die Spannung über der Parallelschaltung des PTC-Widerstands 22 und des Metalloxidvaristors (MOV) 23 entsprechend auf die Klemmspannung des MOV ansteigen, wodurch der Strom sofort durch den MOV fließt. Die Spannung, die nun wesentlich höher als die Versorgungsspannung ist, bewirkt, daß der Strom durch den MOV auf einen sehr kleinen Wert abfällt. Der Metalloxid­ varistor kann die Zusammensetzung haben, die in der US-PS 43 74 049 beschrieben ist, wodurch die Klemmspannung einge­ stellt werden kann, indem die Zusammensetzung der MOV-Materia­ lien und auch der Herstellungsprozeß variiert werden.

Der PTC-Widerstand 22 in Fig. 1 wird durch die Innenleistung I²R erhitzt, wobei R der Widerstand des PTC-Widerstandes ist. Wenn der Strom zunächst auf den PTC-Widerstand übergeht, ist er klein und demzufolge ist der Leistungsverlust klein und die Temperatur steigt langsam an. Wenn die Temperatur ansteigt, nimmt der Widerstand R zu, was einen höheren Leistungsverlust und eine schnellere Erwärmung zur Folge hat. Da jedoch die Leistung eine Funktion des Quadrates des Stromes ist, ist die Erwärmungsgeschwindigkeit relativ empfindlich gegenüber der Größe des Stromes.

Der in Fig. 2 gezeigte Fehlerstromschalter 10 ist ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten Fehlerstromschalter, wobei der Fehlerstrom­ schalter einer Kontaktanordnung 15 innerhalb einer Sammelleitung 16 parallel geschaltet ist. Der PTC-Widerstand 22 ist parallel zu der Kontaktanordnung und zu dem Metalloxidvaristor MOV 23 durch Leitungen 24, 25 geschaltet. Der PTC-Widerstand 22 hat eine dünne Schicht aus MOV-Material 27, das an dem einen Ende angeschmolzen ist, das eine sehr kleine Klemmspannung in der Größenordnung von etwa 5 Volt aufweist. Wenn der Strom von der Kontaktanordnung 15 auf den PTC-Widerstand 22 übergeht, wird die Wärmeleistung durch das Produkt der Spannung über dem MOV-Material 27 und dem Strom durch das MOV-Material erzeugt. Alternativ kann der feste Spannungsabfall, der durch die MOV- Schicht 27 geliefert wird, in Korngrenzen innerhalb des Mate­ rials verteilt werden, das den PTC-Widerstand 22 bildet, oder in Kombination mit der MOV-Schicht, wenn eine schnellere Er­ wärmung gewünscht wird. Da die Anfangserwärmungsleistung eine lineare Funktion des Stromes ist, ist die Anfangsgeschwindig­ keit des Temperaturanstiegs in diesem Ausführungsbeispiel größer und weniger empfindlich gegenüber der Größe des Stromes als in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1.

Wenn zusammengesetzte Metall-Isolator-PTC-Materialien für große Ströme derart angeordnet sind, daß das leitfähige Metall in einer Matrix von MOV-Material gekapselt ist, um einen PTC-MOV-Widerstand zu bilden, ist der getrennte MOV 23 nicht mehr erforderlich. Das Metall würde dem PTC-MOV-Widerstand anfangs kleine Temperatur- und kleine Leitungswiderstands­ eigenschaften geben, um den Strom zunächst von der Kontakt­ anordnung 15 weg zu übertragen. Wenn der Strom und die Tempe­ ratur durch den PTC-MOV-Widerstand anwachsen, würde das MOV- Material im Volumen zunehmen, um die leitenden Eigenschaften des Materials zu unterbrechen, wodurch die Spannung über dem PTC-MOV-Material auf die Klemmspannung des MOV-Materials an­ steigt. Der Strom fällt bei einem Fluß durch das MOV-Material rasch ab, da die MOV-Klemmspannung wesentlich höher als die Versorgungsspannung ist.

Zwar wurde der Fehlerstromschalter gemäß der Erfindung zum Schützen von Gerätschaften und Netzen in einer Sammelleitung beschrieben, aber dies ist nur beispielhaft. Der Fehlerstrom­ schalter kann in irgendeiner Situation verwendet werden, wo eine "bogenlose" Schaltung erforderlich ist, wie beispiels­ weise bei explosiver Atmosphäre in Minen, oder wenn ein "rauschfreies" Schalten erforderlich ist, wie beispielsweise bei empfindlichen elektronischen Komponenten in Computern.

Die Funktion eines Widerstandes, der aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten hergestellt ist und einen relativ kleinen Widerstand bei niedrigen Temperaturen und einen wesentlich höheren Widerstand bei einer vorbestimmten höheren Temperatur aufweist, kann auch durch die Verwendung von Halbleiter-Elementen, wie beispielsweise einem Transistor, in Verbindung mit Stromschaltkontakten erreicht werden, damit die Kontaktstücke ohne das Auftreten eines Lichtbogens zwi­ schen den Kontaktstücken trennen. Dabei kann ein Transistor in Verbindung mit einem spannungsabhängigen Widerstand ver­ wendet werden, um den Strom von den öffnenden Kontaktstücken weg auf den Transistor und dann von dem Transistor auf den spannungsabhängigen Widerstand zu übertragen. Es sind gewisse Mittel zum Schalten des Transistors zwischen leitenden und nicht-leitenden Zuständen erforderlich, damit der Transistor leitend bzw. durchgeschaltet wird, wenn die Kontaktstücke zunächst geöffnet werden, und damit der Transistor kurz nach der Kontakttrennung nicht-leitend wird. Dabei kann ein Strom­ transformator mit einem sättigbaren Kern zum Ein- und Aus­ schalten des Leitungstransistors innerhalb vorbestimmter Zeit­ intervalle verwendet werden.

Claims (8)

1. Fehlerstromschalter gekennzeichnet durch: zwei trennbare, elektrische Kontaktstücke (13, 14), die zur Unterbrechung des Stromflusses durch einen elektri­ schen Stromkreis angeordnet sind, und einen Widerstand (22) mit positivem Temperaturkoeffizien­ ten, der den elektrischen Kontaktstücken (13, 14) elektrisch parallel geschaltet ist zum Übertragen des Stromes durch den einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden Widerstand (22), wenn die elektrischen Kontaktstücke zum ersten Mal getrennt werden.

2. Fehlerstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein spannungsabhängiger Widerstand (23) dem einen posi­ tiven Temperaturkoeffizienten aufweisenden Widerstand (22) elektrisch parallel geschaltet ist zum Übertragen des Stroms durch den spannungsabhängigen Widerstand, wenn die Spannung über dem einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen­ den Widerstand eine vorbestimmte Spannung erreicht.

3. Fehlerstromschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand (23) ein Silizium­ karbid oder Metalloxid aufweist.

4. Fehlerstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisende Widerstand (22) eine Materialschicht mit spannungsabhängigen Eigenschaften aufweist, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der das einen positiven Temperaturkoeffizienten aufwei­ sende Material die vorbestimmte Temperatur erreicht.

5. Fehlerstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisende Widerstand (22) ein Material mit Korngrenzen aufweist, die ein Material mit spannungsabhängigen Eigenschaften enthalten.

6. Fehlerstromschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisende Widerstand (22) und der spannungsabhängige Widerstand (23) ein zusammengesetztes oder Verbundmaterial bilden, wobei der Strom durch eine Komponente des zusammengesetzten Materials bei einer ersten Temperatur fließt, wenn die elektrischen Kontaktstücke zunächst getrennt werden, und dann durch eine andere Komponente des zusammengesetzten Materials bei einer zweiten Temperatur fließt, die höher als die erste Temperatur ist.

7. Fehlerstromschalter gekennzeichnet durch:
zwei Kontaktstücke und einen Widerstand, der den Kontakt­ stücken parallel geschaltet ist, wobei der Widerstand ein zusammengesetztes Material aufweist, das einen posi­ tiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes aufweist, derart, daß der Widerstand einen ersten Widerstand bei einer ersten Temperatur und einen zweiten, höheren Wider­ stand bei einer zweiten, höheren Temperatur aufweist, und wobei das Material ferner spannungsabhängige Eigenschaften besitzt derart, daß der Widerstand einen dritten Widerstand bei einem ersten Spannungsabfall über dem Widerstand und einen vierten, kleineren Widerstand bei einem zweiten, höheren Spannungsabfall über dem Widerstand aufweist.

8. Fehlerstromschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte Material ein erstes Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands und ein zweites Material mit spannungsabhängigen Eigen­ schaften aufweist.