DE4330607A1

DE4330607A1 - Limiter zur Strombegrenzung

Info

Publication number: DE4330607A1
Application number: DE4330607A
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl Phys Pohl; Wilfried Jaehner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-09-09
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 1995-03-16
Also published as: DE59405539D1; US5793278A; EP0717876A1; EP0717876B1; WO1995007540A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Limiter zur Strom begrenzung, mit einem thermoplastischen Widerstandskörper und metallischen Flächenelektroden.

Niederspannungsleistungsschalter werden häufig mit soge nannten Limitern in Reihe geschaltet, um das Kurzschluß schaltvermögen in Niederspannungsnetzen stark zu erhöhen und die Durchlaßströme stark zu begrenzen. Derartige Limiter sind so ausgelegt, daß sie im Kurzschlußfall rasch von einem niederohmigen in einen hochohmigen Zustand über gehen und mit ihrem Spannungsbedarf zu einer raschen Strombegrenzung und Abschaltung beitragen.

Speziell für den Einsatz als Zentrallimiter, welcher zum Kurzschlußschutz mehrerer Abzweige diesen vorgeschaltet ist, wäre es wünschenswert, daß die Limiterfunktion nur bei hohen Kurzschlußströmen, die beispielsweise in den Abzweigen vorhandene Schutzschalter nicht beherrschen, wirksam wird und bei mäßigen oder abklingenden Kurzschluß strömen keine Limiterfunktion auftritt. Damit würden un erwünschte, länger andauernde Spannungseinbrüche vermie den, die zu unkontrollierten Schaltzuständen, z. B. von Schützen oder Relais, führen könnten.

Als Limiter werden häufig elektromechanisch einfach auf gebaute Schaltgeräte eingesetzt, deren Kontakte durch Stromkräfte dynamisch öffnen und die gewöhnlich über kein Schaltschloß und kein Auslösesystem verfügen. Ihr Bogen spannungsplateau liegt im Bereich der Netzspannungsampli tude. Zusammen mit der Bogenspannung des in Reihe geschal teten Leistungsschalters wird der Kurzschlußstrom zum raschen Abklingen gebracht und die Abschaltzeit verkürzt. Lichtbogenlimiter dieser Bauart haben Probleme des Kon taktverschweißens, welche nur mit speziellen Kontaktwerk stoffen und/oder mit einer speziellen Kontaktmechanik technisch gelöst werden können.

Aus der WO-A-91/12643 und der EP-A-0 487 920 sind Limiter bekannt, die speziell den sogenannten Kaltleiter- oder PTC-Effekt (positive temperature coefficient) ausnutzen. Dabei werden Hochstromwiderstände verwendet, die im wesentlichen aus einer mit Ruß gefüllten Polyethylen schicht bestehen, welche den PCT-Effekt aufweist. Zur Ge währleistung des PCT-Effektes soll bei diesem als Schutz element verwendbaren Hochstromwiderstand der Polymer- Widerstandskörper mit seinen Grundflächen mit Elektroden verbunden sein, wobei eine Druckeinrichtung vorhanden ist, die einen Druck senkrecht auf die Elektroden und die Grundflächen des Widerstandskörpers der leitfähigen Poly merschicht ausübt.

Physikalische Grundlage der vorbeschriebenen Limiter ist, daß die Temperatur im Kurzschlußfall durch ohmsche Heizung über die Kristallisationstemperatur des Polyethylens als elektrisch isolierenden Grundmaterials ansteigt, wodurch mikroskopische Strombahnen des Rußes als elektrisch leitende Materialkomponente aufbrechen und sich der Limi terwiderstand um den Faktor 100 oder mehr erhöht. Der Limiterwiderstand kann hier überwiegend durch den Volumen widerstand des PTC-Materials bestimmt werden.

Nach seinem Schaltprinzip trägt bei dem vorbekannten Limiter der Oberflächenwiderstand an den Grenzflächen zwischen dem Polymerwiderstandskörper und den Elektroden wesentlich zu dem Strombegrenzungseffekt im Kurzschluß fall bei. Indem sich die Elektroden und der Polymerwider standskörper durch die äußere Druckkraft nur in Berühr kontakt miteinander befinden, findet die Aufheizung des PTC-Materials in einer oberflächennahen, dünnen Schicht statt, die im Kurzschlußfall sehr rasch von einem nieder ohmigen in einen hochohmigen Zustand schaltet.

Nach Abschalten des Kurzschlusses benötigt dieser Grenz schichtlimiter für das Abklingen des hohen elektrischen Widerstandes auf den niedrigen Anfangswert eine Rückstell zeit von typisch etwa 20 ms. In der Praxis wird dazu zur Entlastung des Kaltleiterelementes ein Parallelwiderstand angeschlossen, welcher im hochohmigen Zustand des Kalt leitermaterials den überwiegenden Teil des Kurzschlußstro mes trägt. Während der Abschaltdauer des in Reihe geschal teten Leistungsschalters erzeugt der abklingende Kurz schlußstrom am Parallelwiderstand einen beträchtlichen Spannungsabfall. Dieser kann bei 100 V oder mehr liegen und während einer Zeitdauer von 3 ms und länger bestehen. Für die Anwendung als Zentrallimiter ist aber eine der art langandauernde Schaltspannung unzuträglich, da sonst in an sich nicht gestörten Abzweigen des Netzes entspre chend langandauernde Spannungseinbrüche hervorgerufen würden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Limiter zu schaffen, der auch als Zentrallimiter eingesetzt werden kann. Für die Funktion des Zentrallimiters ist zu fordern, daß durch seine Schaltspannung hervorgerufene Spannungs einbrüche auf einen Bruchteil einer Halbwellendauer be schränkt bleiben, beispielsweise auf eine Zeitdauer t < 1 ms.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der im Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Sofern die in den Stromabzweigen in Reihe zum Zentrallimiter geschal teten Leistungsschalter bei hohen Kurzschlußströmen eine genügend hohe Schaltgeschwindigkeit besitzen, kann erfin dungsgemäß erreicht werden, daß nach Abklingen der Limi terspannung der Ausschaltvorgang mit einer ausreichend hohen Bogenspannung unverzögert fortgesetzt wird. Die Funktion einer nur bei hohen Momentanströmen aktivierten Limiterspannung wird also durch einen Grenzschicht-Limiter erreicht, bei dem auch im Kurzschlußfall eine partielle kraftschlüssige Kontaktberührung der Elektroden auf dem Widerstandskörper erfolgt. Als charakteristische Eigen schaft eines derartigen Limiters besitzen die Elektroden und der Widerstandskörper ein positives bzw. negatives, d. h. komplementäres Oberflächenprofil, mit dem sie mecha nisch fest aneinander haften.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Limiters wird der thermoplastische Widerstandskörper, beispielsweise in Form einer Rechteckplatte, zwischen profilierten Elektroden zu sammengepreßt und dabei zumindest an den Berührflächen auf seine Erweichungstemperatur erhitzt. Dabei fließt das Widerstandsmaterial in die Profilvertiefungen der Metall elektroden und es entsteht ein komplementäres Oberflächen profil des Widerstandskörpers. Nach diesem Vorgang haften die Elektroden fest an dem Widerstandskörper, von dem sie nur unter mechanischer Beschädigung der Profil schichten wieder getrennt werden können.

Wie beim Stand der Technik reicht zur Erzielung eines nie drigen Limiterwiderstandes die Haftkraft an den profilier ten Oberflächen zwischen den Elektroden und dem Wider standskörper nicht aus. Um den für einen Nennbetrieb de finierten niederohmigen Nennwiderstand des Limiters zu erreichen, werden die Flächenelektroden mit einer Druck kraft typischerweise zwischen 50 und 100 N/cm² an den Widerstandskörper angepreßt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Aus führungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Limiter in Schnittdarstellung,

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Limiter gemäß Fig. 1,

Fig. 3 die Ausbildung einer Flächenelektrode,

Fig. 4 in zwei Teilfig. den Vergleich der Widerstands kurven des Limiters gemäß den Fig. 1 bis 3 mit dem Stand der Technik, die

Fig. 5 in Teilfig. das Beispiel einer Kurzschlußab schaltung einer Reihenschaltung durch den Limiter gemäß den Fig. 1 bis 3 und die

Fig. 6 in Teilfig. die Schaltphasen eines Limiters gemäß den Fig. 1 bis 3.

Die Figuren werden nachfolgend teilweise zusammen be schrieben.

In den Fig. 1 bis 3 bedeutet 1 einen thermoplastischen Widerstandskörper mit Oberflächen 2 und 3, der zwischen zwei gleichartigen Flächenelektroden 10 zusammengepreßt wird. Dazu wird eine Druckkraft K aufgebracht. Eine der artige Anordnung ist im Prinzip aus der älteren deutschen Patentanmeldung P 42 28 297.7 bekannt.

Gemäß Fig. 3 haben beide Flächenelektroden 10 eine Profi lierung 15, die beispielsweise eine Rechteckstruktur mit einer Stegbreite b und einer Steghöhe h aufweist. Die Stegbreite b kann zwischen 0,1 und 1 mm und die Steghöhe ebenfalls zwischen 0,1 und 1 mm liegen. Insbesondere haben Stegbreite b und Steghöhe h die gleiche Größenordnung, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,6 mm. Speziell in Fig. 3 liegen beide Maße beispielsweise bei etwa 0,4 mm.

Eine komplementäre Profilierung 5 hat der Widerstandskör per 1 an beiden Oberflächen 2 und 3. Über die Profilierun gen 5 und 15 sind der Widerstandskörper 1 und die Flächen elektroden unlösbar miteinander verbunden.

In anderer Ausbildung als Fig. 3 kann das Rechteckprofil auch einen Neigungswinkel gegen die Oberfläche der Flä chenelektrode 10 haben. Das Oberflächenprofil 15 kann dabei vorteilhafterweise eine abschnittsweise unter schiedliche Richtung aufweisen. Auch eine konische Form des Oberflächenprofils 15 ist möglich.

Der so beschriebene Limiter wird in bekannter Weise einem Leistungsschalter vorgeschaltet. Dabei ist dem Limiter aus dem Widerstandskörper 1 und den Flächenelektroden 10 ein Widerstandselement parallelgeschaltet. Das Widerstands element ist beispielsweise ein ohmscher Widerstand von 100 m. Es kann auch ein nichtlinearer spannungsabhängiger Widerstand sein, dessen Widerstand mit der angelegten Spannung sinkt. In beiden Fällen kann der Strom zum geeig neten Zeitpunkt kommutieren.

In Fig. 4b ist der Limiterwiderstand zu einer Kurzschluß abschaltung bei I_k = 40 kA mit einer Reihenschaltung des Limiters gemäß den Fig. 1 bis 3, dem ein Konstantwider stand von 100 mΩ parallelgeschaltet ist, und eines Lei stungsschalters dargestellt und der zeitliche Verlauf wie dergegeben: Der Limiterwiderstand entsprechend Graph 42 beginnt mit dem Einsetzen des Kurzschlußstromes von seinem Anfangswert R₀ = 4 mΩ leicht anzusteigen und erreicht nach etwa 300 µs einen ersten Plateauwert von etwa 8 mΩ. Wäh rend der Kurzschlußstrom weiter ansteigt und 500 µs nach Kurzschlußbeginn ein Wert von 5 kA erreicht ist, geht die Widerstandskurve zu diesem Zeitpunkt in einen steilen An stieg über und bleibt etwa 300 µs lang auf Widerstandswer ten, die wesentlich größer sind als 100 mΩ etwa 900 µs nach Kurzschlußbeginn kehrt der Limiterwiderstand wieder auf einen niederohmigen Wert von etwa 15 mΩ zurück und sinkt schließlich auf seinen Anfangswert ab.

In Fig. 4a ist zum Vergleich der zeitliche Verlauf des Limiterwiderstandes nach dem Stand der Technik als Graph 41 dargestellt.

Im Strom-Spannungsoszillogramm gemäß Fig. 5 stellt Graph 51 den Gesamtstrom, Graph 42 den Kaltleiterstrom, Graph 53 die zugehörige Kaltleiterspannung und Graph 54 die Spannung am verwendeten Schaltgerät dar. Das anhand Fig. 4 beschriebene Widerstandsverhalten äußert sich in der Weise, daß der Limiter etwa 600 µs nach Kurzschluß beginn einen Spannungspuls von ca. 450 V und ca. 300 µs Dauer erzeugt. In dieser Phase sinkt der Kurzschlußstrom von seinem Maximalwert i_max = 6,7 kA auf etwa 3 kA ab, wobei ein zunehmender Stromanteil vom Parallelwiderstand (100 mΩ) getragen wird. Nach dem Abklingen seines Span nungspulses trägt der Limiter den reduzierten Kurzschluß strom, was durch den partiellen elektrisch-mechanischen Kontakt der Flächenelektroden auf dem Widerstandskörper verursacht wird. Dabei wird durch die zu diesem Zeitpunkt ausreichend hohe Bogenspannung des Leistungsschalters ein erneuter Stromanstieg verhindert und der Kurzschluß nach einer Gesamtdauer von 3 ms abgeschaltet.

Die Schalteigenschaften des anhand der Fig. 1 bis 3 dar gestellten Limiters und der zugehörigen Meßkurven gemäß den Fig. 4 und 5 lassen sich phänomenologisch erklären, was anhand der Fig. 6 verdeutlicht wird: Im Ausgangszu stand des Limiters gemäß Fig. 6a sorgt die auf den Flächenelektroden senkrecht stehende Druckkraft K für eine kraftschlüssige Berührung der senkrecht zur Druckkraft verlaufenden Profilteilflächen. Demgegenüber ist die Kraftwirkung zwischen den parallel zur Druckkraft verlau fenden Profilteilflächen 12 wesentlich geringer, da nach dem thermischen Herstellungsvorgang die Profilschicht des thermoplastischen Widerstandsmaterials aufgrund des gegenüber Metallen sehr viel höheren Wärmeausdehnungs koeffizienten einen maßlichen Schwund von 1 bis 2% erfährt.

Im Fall der anhand der Fig. 4 und 5 dargestellten Kurz schlußabschaltung setzt mit dem Beginn des Stromanstieges durch die elektrische Verlustleistung in der Grenzschicht eine zunehmende Erwärmung ein und damit verbunden eine Ausdehnung der Profilschicht 5 des Widerstandskörpers 1 mit erheblicher Verringerung der elektrischen Kontaktflä che gemäß Fig. 6b. Durch die thermische Ausdehnung der thermoplastischen Profilstege werden die Metallelektroden 10 von den vertieft liegenden Profilteilflächen des Widerstandskörpers 1 abgehoben. Dabei stellt sich ein momentaner Limiterwiderstand ein, der durch den anhand Fig. 4b gezeigten ersten Plateauwert gekennzeichnet ist. Gleichzeitig verdoppelt sich annähernd die Stromdichte auf den Profilstirnflächen des Widerstandskörpers 1 und die elektrische Verlustleistung führt zur raschen Aufheizung auf die Zersetzungstemperatur des Widerstandsmaterials. Hiermit wird entsprechend Fig. 6c auch an diesen Profil teilflächen der mechanisch-elektrische Kontakt weitgehend unterbrochen und es bildet sich zwischen den Profilflächen eine verteilte, elektrische Entladung mit hoher Brenn spannung aus.

Während der Phase hoher Limiterspannung wird die Profil schicht 5 weiter aufgeheizt und teilweise Material zer setzt, wodurch ein erheblicher Gasdruck aufgebaut wird. Mit dem Abbau des Gasdruckes infolge des abklingenden Kurzschlußstromes und aufgrund der thermischen Ausdehnung der thermoplastischen Profilstege bilden sich gemäß Fig. 6d zwischen den parallel zur Druckkraft verlaufenden Pro filteilflächen 12 der Elektroden 10 und des Widerstands körpers 1 Kontaktflächen aus, deren wirksame Kontaktkraft mit der Temperatur des Widerstandsmaterials und dessen thermischer Ausdehnung zunimmt und daher am Ende des Limiter-Spannungspulses zu dem beobachteten geringen Limi terwiderstand von etwa 15 mΩ führt. Dieser Vorgang wird dadurch unterstützt, daß der Parallelwiderstand des Limiters kurzzeitig den Gesamtstrom übernimmt und dadurch die Materialzersetzung am Widerstandskörper 1 beendet.

Während der Abkühlzeit des thermoplastischen Widerstands körpers 1 von bis zu einigen 100 ms formiert sich dessen Oberflächenprofil unter der Kraftwirkung der durch die Druckkraft K angepreßten, profilierten Metallelektroden 10 und der Limiterwiderstand kehrt zu seinem Ausgangswert zurück.

Wesentlich ist also bei dem beschriebenen Limiter gegen über den vom Stand der Technik vorbekannten Anordnungen, daß keine freie Kontaktflächen bestehen, sondern daß die Flächenelektroden und der Widerstandskörper über ihre zu einander komplementären Oberflächenprofile nicht lösbar miteinander verbunden sind.

Claims

1. Limiter zur Strombegrenzung, mit einem thermoplasti schen Widerstandskörper und metallischen Flächenelektroden mit folgenden Merkmalen:

- die metallischen Flächenelektroden (10) besitzen an ihrer dem thermoplastischen Widerstandskörper (1) zugewandten Seite (11) ein Oberflächenprofil (15),
- der thermoplastische Widerstandskörper (1) hat an seinen den metallischen Flächenelektroden (10) zuge wandten Seiten (2, 3) ein komplementäres Oberflächen profil (5),
- die Flächenelektroden (10) und der Widerstandskörper (1) sind nicht lösbar miteinander verbunden,
- die Flächenelektroden (10) und der Widerstandskörper (1) werden durch eine Druckkraft (K) zusammengepreßt.

2. Limiter nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Oberflächenprofil (15) des Widerstandskörpers (1) durch thermische Anformung an die metallischen Flächenelektroden (10) erfolgt.

3. Limiter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß das Ober flächenprofil (5, 15) eine Rechteckstruktur aufweist.

4. Limiter nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß Stegbreite (b) und Steg höhe (h) des Oberflächenprofils (5, 15) zwischen 0,1 mm und 1 mm liegen, vorzugsweise bei Werten von 0,3 bis 0,6 mm.

5. Limiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Recht eckprofil (15) einen Neigungswinkel gegen die Oberfläche (11) hat.

6. Limiter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß das Ober flächenprofil (5, 15) eine konische Form hat.

7. Limiter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß der Wider standskörper (1) aus thermoplastischem Material mit einer leitfähigen Materialkomponente besteht.

8. Limiter nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß das thermoplastische Material Polyethylen und die leitfähige Materialkomponente Graphit ist.

9. Limiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Flä chenelektroden (10) aus elektrisch und thermisch gut lei tendem Material bestehen.

10. Limiter nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Flächenelektroden (10) aus Kupfer mit versilberter Oberfläche bestehen.

11. Limiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandselement vorgesehen ist, das parallel zu dem thermoplastischen Widerstandskörper (1) und den Flächen elektroden (10) geschaltet ist.

12. Limiter nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das Widerstandselement ein ohmscher Widerstand ist.

13. Limiter nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das Widerstandselement ein nichtlinearer, spannungsabhängiger Widerstand ist, dessen Widerstand mit der angelegten Spannung sinkt.