EP0717876A1 - Limiter zur strombegrenzung - Google Patents

Limiter zur strombegrenzung

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EP0717876A1
EP0717876A1 EP94924694A EP94924694A EP0717876A1 EP 0717876 A1 EP0717876 A1 EP 0717876A1 EP 94924694 A EP94924694 A EP 94924694A EP 94924694 A EP94924694 A EP 94924694A EP 0717876 A1 EP0717876 A1 EP 0717876A1
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EP
European Patent Office
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resistance
limiter
limiter according
electrodes
thermoplastic
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EP94924694A
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Fritz Pohl
Wilfried Jaehner
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points or electrodes specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points or electrodes on resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points or electrodes specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points or electrodes on resistors
    • H01C1/1406—Terminals or electrodes formed on resistive elements having positive temperature coefficient
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/13—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material current responsive

Definitions

  • the invention relates to a limiter for current limitation, with a thermoplastic resistance body and metallic surface electrodes.
  • the limiter function for use as a central limiter, which is upstream of these for the short-circuit protection of several branches, it would be desirable for the limiter function to be effective only at high short-circuit currents which, for example, cannot be protected by circuit breakers in the branches, and at moderate or decaying short-circuit currents no limiter function occurs. This would avoid undesired, longer-lasting voltage dips that lead to uncontrolled switching states, e.g. of contactors or relays.
  • Electromechanically simple switching devices are often used as limiters, the contacts of which open dynamically due to current forces and which usually do not have a * switch lock and no release system. Your bow Voltage plateau lies in the area of the mains voltage amplitude. Together with the arc voltage of the circuit breaker connected in series, the short-circuit current is rapidly decayed and the switch-off time is shortened.
  • Arc limiters of this type have problems of contact welding, which can only be solved technically with special contact materials and / or with a special contact mechanism.
  • High current resistors which essentially consist of a polyethylene layer filled with soot, which has the PTC effect.
  • the polymer resistor body should be connected to its base surfaces with electrodes, a pressure device being present which applies pressure perpendicular to the electrodes and the electrodes
  • Base areas of the resistance body of the conductive polymer layer exerts.
  • the physical basis of the limiters described above is that the temperature in the event of a short circuit rises above the crystallization temperature of polyethylene as the electrically insulating base material due to ohmic heating, whereby microscopic current paths of the carbon black as an electrically conductive material component break open and the limiter resistance increases by a factor of 100 or more.
  • Limiter resistance can mainly be determined here by the volume resistance of the PTC material. According to its switching principle, in the known limiter the surface resistance at the interfaces between the polymer resistance body and the electrodes contributes significantly to the current limiting effect in the event of a short circuit. Since the electrodes and the polymer resistance body are only in contact with one another due to the external compressive force, the heating of the PTC material takes place in a thin layer near the surface, which in the event of a short circuit very quickly changes from a low-resistance to a high-resistance state switches.
  • this boundary layer limiter requires a reset time of typically about 20 ms for the high electrical resistance to subside.
  • a parallel resistor is connected to relieve the PTC thermistor element, which carries the major part of the short-circuit current in the high-resistance state of the PTC thermistor material.
  • the decaying short-circuit current at the parallel resistor generates a considerable voltage drop. This can be 100 V or more and exist for a period of 3 ms and longer.
  • such a long-lasting switching voltage is unsuitable for use as a central limiter, since otherwise long-lasting voltage drops would be caused in branches of the network which are not disturbed per se.
  • the object of the invention is therefore to provide a limiter which can also be used as a central limiter.
  • a limiter which can also be used as a central limiter.
  • voltage caused by its switching voltage dips remain limited to a fraction of a half-wave duration, for example to a time period t ⁇ 1 ms.
  • the object is achieved by the entirety of the features specified in the claim. If the circuit breakers connected in series in the current branches to the central limiter have a sufficiently high switching speed at high short-circuit currents, it can be achieved according to the invention that after the limit voltage has subsided the switch-off process is continued without delay with a sufficiently high arc voltage.
  • the function of a limiter voltage activated only at high instantaneous currents is thus achieved by a boundary layer limiter, in which a partial non-positive contact of the electrodes on the resistance body takes place even in the event of a short circuit.
  • the electrodes and the resistance body have a positive or negative, i.e. complementary surface profile with which they adhere mechanically to one another.
  • the thermoplastic resistance body for example in the form of a rectangular plate, is pressed together between profiled electrodes and is heated to its softening temperature at least on the contact surfaces.
  • the resistance material flows into the profile recesses of the metal electrodes and a complementary surface profile of the resistance body is created.
  • the electrodes adhere firmly to the resistance body, from which they can only be separated again with mechanical damage to the profile layers.
  • the adhesive force on the profiled surfaces between the electrodes and the resistance body is not sufficient to achieve a low limiter resistance.
  • the surface electrodes are typically pressed against the resistance body with a pressure force of between 50 and 100 N / cm 2 .
  • FIG. 1 a limiter in a sectional view
  • FIG. 2 the top view of a limiter according to FIG. 1
  • FIG. 3 the formation of a surface electrode
  • FIG. 4 the comparison of the resistance curves of the limiter according to FIGS. 1 to 3 with the prior art
  • FIG. 5 in partial figures the example of a short-circuit disconnection of a series connection by the limiter according to FIG. 1 to 3 and the FIG. 6 in partial figures the switching phases of a limiter according to FIG. 1 to 3.
  • FIG. 1 to 3 1 means a thermoplastic resistance body with surfaces 2 and 3, which is pressed together between two similar surface electrodes 10. For this purpose, a pressure force K is applied.
  • a pressure force K is applied.
  • One of the- Like arrangement is known in principle from the older German patent application P 42 28 297.7.
  • both surface electrodes 10 have a profile 15 which, for example, has a rectangular structure with a web width b and a web height h.
  • the web width b can be between 0.1 and 1 mm and the web height can also be between 0.1 and 1 mm.
  • web width b and web height h have the same order of magnitude, preferably between 0.3 and 0.6 mm.
  • both dimensions are, for example, about 0.4 mm.
  • the resistance body 1 has a complementary profiling 5 on both surfaces 2 and 3.
  • the resistance body 1 and the surface electrodes are permanently connected to one another via the profiles 5 and 15.
  • the rectangular profile can also have an angle of inclination towards the surface of the surface electrode 10.
  • the surface profile 15 can advantageously have a different direction in sections. A conical shape of the surface profile 15 is also possible.
  • the limiter described in this way is connected upstream of a circuit breaker in a known manner.
  • a resistor element is connected in parallel to the limiter from the resistance body 1 and the surface electrodes 10.
  • the resistance element is, for example, an ohmic resistance of 100 m. It can also be a non-linear voltage-dependent resistor, the resistance of which decreases with the applied voltage. In both cases, the current can commutate at the appropriate time.
  • FIG. 4a shows the time course of the limiter resistance according to the prior art as a graph 41 for comparison.
  • the current-voltage oscillogram according to FIG. 5 shows graph 51 the total current, graph 42 the PTC thermistor current, graph 53 the associated PTC thermistor voltage and graph 54 the voltage on the switching device used.
  • the resistance behavior described 4 manifests itself in such a way that the limiter generates a voltage pulse of approx. 450 V and approx. 300 ⁇ s duration approximately 600 ⁇ s after the beginning of the short circuit.
  • the limiter After his chip has subsided voltage pulse, the limiter carries the reduced short-circuit current, which is caused by the partial electrical-mechanical contact of the surface electrodes on the resistance body.
  • the sufficiently high arc voltage of the circuit breaker at this point prevents the current from rising again and the short circuit is switched off after a total duration of 3 ms.
  • FIG. 6 illustrates:
  • the pressure force K which is perpendicular to the surface electrodes, ensures a frictional contact of the partial profile surfaces which are perpendicular to the pressure force.
  • the force effect between the partial profile surfaces 12 running parallel to the compressive force is considerably less, since after the thermal production process the profile layer of the thermoplastic resistance material experiences a dimensional shrinkage of 1 to 2% due to the much higher coefficient of thermal expansion than metals.
  • the short-circuit shutdown shown begins with the beginning of the current increase due to the electrical power loss in the boundary layer, increasing warming and, associated therewith, an expansion of the profile layer 5 of the resistance body 1 with a considerable reduction in the electrical contact area according to FIG. 6b.
  • the metal electrodes 10 Due to the thermal expansion of the thermoplastic profile webs, the metal electrodes 10 are removed from the recessed profile partial surfaces of the Resistor body 1 lifted off.
  • a current limiter resistance is established, which is determined by the 4b shown first plateau value.
  • the current density on the profile end faces of the resistance body 1 almost doubles and the electrical power loss leads to rapid heating to the decomposition temperature of the resistance material.
  • FIG. 6c the mechanical-electrical contact is also largely interrupted on these partial profile surfaces, and a distributed electrical discharge with a high operating voltage is formed between the profile surfaces.
  • the profile layer 5 is further heated and material is partially decomposed, as a result of which a considerable gas pressure is built up.
  • the effective contact force of which increases with the temperature of the resistance material and its thermal expansion and therefore at the end of the limiter voltage pulse to the observed low limit resistance of about 15 mil leads.
  • thermoplastic resistance body 1 During the cooling time of the thermoplastic resistance body 1 of up to a few 100 ms, its surface profile is formed under the force of the Pressed K profiled metal electrodes 10 and the limiter resistance returns to its initial value. -

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Abstract

Limiter zur Strombegrenzung zeichen sich durch einen steuerbaren Hochstromwiderstand aus, der bei Nennbetrieb einen niederohmigen Zustand und während einer Kurzschlußabschaltung einen hochohmigen Zustand einnehmen soll. Vorbekannte Limiter können beispielsweise einen thermoplastischen Widerstandskörper und metallische Flächenelektroden aufweisen. Erfindungsgemäß haben die metallischen Flächenelektroden (10) an ihrer dem thermoplastischen Widerstandskörper (1) zugewandten Seite (11) ein Oberflächenprofil (15), wobei der thermoplastische Widerstandskörper (1) ein komplementäres Oberflächenprofil (15) hat. Dadurch sind die Flächenelektroden (10) und der Widerstandskörper (1) nicht lösbar miteinander verbunden, wobei die Flächenelektroden (10) und der Widerstandskörper (1) durch eine Druckkraft (K) zusammengepreßt werden. Durch die gegenseitige Verzahnung der Oberflächen (11, 2, 3) ergibt sich eine besonders rasche Rückstellung des Limiterwiderstandes von seinem hochohmigen Zustand während einer Kurzschlußabschaltung in den niederohmigen Zustand bei Nennstrombetrieb.

Description

Beschreibung
•fyi Limiter zur Strombegrenzung
5
Die Erfindung bezieht sich auf einen Limiter zur Strom¬ begrenzung, mit einem thermoplastischen Widerstandskörper und metallischen Flächenelektroden.
10 Niederspannungsleistungsschalter werden häufig mit soge¬ nannten Limitern in Reihe geschaltet, um das Kurzschlu߬ schaltvermögen in Niederspannungsnetzen stark zu erhöhen und die Durchlaßströme stark zu begrenzen. Derartige Limiter sind so ausgelegt, daß sie im Kurzschlußfall rasch
15 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 20 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- 25 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.
30 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 (jDOsitive jtemperature c_oefficient) ausnutzen. Dabei werden Hochstromwiderstände verwendet, die im wesentlichen aus einer mit Ruß gefüllten Polyethylen- schicht bestehen, welche den PTC-Effekt aufweist. Zur Ge¬ währleistung des PTC-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 Profilschichten 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 Teilfiguren den Vergleich der Widerstands¬ kurven des Limiters gemäß den FIG. 1 bis 3 mit dem Stand der Technik, die
FIG. 5 in Teilfiguren das Beispiel einer Kurzschlußab¬ schaltung einer Reihenschaltung durch den Limiter gemäß den FIG. 1 bis 3 und die FIG. 6 in Teilfiguren 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 Kurzschlu߬ abschaltung bei I. = 40 kA mit einer Reihenschaltung des Limiters gemäß den FIG. 1 bis 3, dem ein Konstantwider¬ stand von 100 parallelgeschaltet ist, und eines Lei- stungsschaltes dargestellt und der zeitliche Verlauf wie¬ dergegeben: Der Limiterwiderstand entsprechend Graph 42 beginnt mit dem Einsetzen des Kurzschlußstromes von seinem Anfangswert RQ = 4 milleicht anzusteigen und erreicht nach etwa 300 μs einen ersten Plateauwert von etwa 8 mfl. 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 mü.. Etwa 900 μs nach Kurzschlußbeginn kehrt der Limiterwiderstand wieder auf einen niederohmigen Wert von etwa 15 mfl zurück und sinkt schließlich auf seinen Anfangswert ab.
In Figur 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 verwndeten Schaltgerät dar. Das anhand FIG. 4 beschriebene Widerstandsverhalten äußert sich in der Weise, daß der Limiter etwa 600 μs nach Kurzschlu߬ beginn einen Spannungspuls von ca. 450 V und ca. 300 μs Dauer erzeugt. In dieser Phase sinkt der Kurzschlußstrom von seinem Maximalwert i = 6,7 kA auf etwa 3 kA ab, max wobei ein zunehmender Stromanteil vom Parallelwiderstand (100 m_Ω) getragen wird. Nach dem Abklingen seines Span- nungspulses trägt der Limiter den reduzierten Kurzschlu߬ 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 mil 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

Patentansprüche
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, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß das Oberflächenprofil (15) des Widerstandskörpers (1) durch thermische Anformung an die metallischen Flächenelektroden (10) erfolgt.
3. Limiter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ober- flächenprofil (5, 15) eine Rechteckstruktur aufweist.
4. Limiter nach Anspruch 3, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , 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, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Recht¬ eckprofil (15) einen Neigungswinkel gegen die Oberfläche (11) hat.
6. Limiter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Ober¬ flächenprofil (5, 15) eine konische Form hat.
7. Limiter nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wider¬ standskörper (1) aus thermoplastischem Material mit einer leitfähigen Materialkomponente besteht.
8. Limiter nach Anspruch 7, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß das thermoplastische
Material Polyethylen und die leitfähige Materialkomponente Graphit ist.
9. Limiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Flä¬ chenelektroden (10) aus elektrisch und thermisch gut lei¬ tendem Material bestehen.
10. Limiter nach Anspruch 9, d a d u r c h g e - k e n n z e i c h n e t , daß die Flächenelektroden (10) aus Kupfer mit versilberter Oberfläche bestehen.
11. Limiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Widerstandselement vorgesehen ist, das parallel zu dem thermoplastischen Widerstandskörper (1) und den Flächen¬ elektroden (10) geschaltet ist.
12. Limiter nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß das Widerstandselement ein ohmscher Widerstand ist.
13. Limiter nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß das Widerstandselement ein nichtlinearer, spannungsabhängiger Widerstand ist, dessen Widerstand mit der angelegten Spannung sinkt.
EP94924694A 1993-09-09 1994-08-26 Limiter zur strombegrenzung Expired - Lifetime EP0717876B1 (de)

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