EP0923086A1

EP0923086A1 - Schutzelement

Info

Publication number: EP0923086A1
Application number: EP98811171A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dr. Glatz-Reichenbach; Felix Dr. Greuter; Ruzica Loitzl-Jelenic; Jörgen Dr. Skindhoj; Ralf Dr. Strümpler
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 1999-06-16
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: DE59811048D1; ATE262726T1; EP0923086B1; CN1219742A; CN1222956C; US6396383B1; DE19754976A1

Abstract

Ein Schutzelement zum Schutz insbesondere eines Elektromotors vor Ueberströmen enthält in einer Polymermatrix, vorzugsweise ETFE, z. B. 40%(Vol.) eines ersten pulverförmigen Füllstoffs aus einem leitfähigen Material, vorzugsweise TiB2, so dass wie bei einem PTC-Element der Widerstand bei einer der Schmelztemperatur des Polymers entsprechenden Schalttemperatur sprunghaft ansteigt. Ausserdem sind 20%(Vol.) eines zweiten pulverförmigen Füllstoffs beigegeben, eines Phasenübergangsmaterials, das bei einer unterhalb der Schalttemperatur liegenden kritischen Temperatur einem Phasenübergang unterliegt, bei welchem es Umwandlungswärme aufnimmt. Dadurch wird die Ansprechzeit (T) des Schutzelements in einem höheren zulässigen Motoranlaufströmen entsprechenden Bereich des Ueberstromfaktors (F) merklich verlängert und die Ansprechkennlinie dort gezielt angehoben. Für den zweiten Füllstoff kommen z. B. Materialien mit fest-fest-Phasenübergang wie Pentaerythrit, NaNO2, NaNO3 oder auch mit fest-flüssig-Phasenübergang wie UHMWPE, Quinol oder insbesondere mikrogekapselte Metalle, Legierungen und Salze in Frage. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Schutzelement zum Schutz eines Stromverbrauchers vor Ueberlastung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung desselben. Es sind seit längerem Widerstandselemente, sogenannte PTC-Elemente bekannt mit einer Polymermatrix und in dieselbe eingebettetem pulverförmigem Füllstoff aus leitfähigem Material. Der Widerstand dieser Elemente nimmt sprunghaft um mehrere Grössenordnungen zu, wenn die Temperatur des Widerstandselements eine Schalttemperatur erreicht. Sie entspricht dem Schmelzpunkt des Polymers, bei welchem die Teilchen des Füllstoffs durch das Schmelzen der Matrix getrennt werden.

Dieser Effekt lässt sich u. a. zur Strombegrenzung, insbesondere zur Abschaltung von Ueberströmen benützen. Dabei wird ein Widerstandselement, dessen Temperatur bei Nennstrom im hochleitenden Bereich bleibt, aber durch einen Ueberstrom so weit erwärmt wird, dass es die Schalttemperatur erreicht, als Schutzelement mit dem Stromverbraucher in Reihe gelegt.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen (J. Mater. Res. 6/1 (1991)), bei PTC-Widerständen zur Verhinderung einer Ueberhitzung des Polymers einen weiteren pulverförmigen Füllstoff vorzusehen, welcher bei einer oberhalb dieser Schalttemperatur liegenden kritischen Temperatur einer Phasenumwandlung unterliegt, bei der er Umwandlungswärme aufnimmt, so dass eine weitere Erwärmung des Widerstandskörpers verhindert oder jedenfalls verzögert wird.

Für diverse Anwendungen sind Schutzelemente erforderlich, bei denen die Auslösekennlinie, d. h. die Ansprechzeit als Funktion des Ueberstromfaktors eine bestimmte Form aufweist. Wenn der Ueberstrom ein bestimmtes Vielfaches eines Nennstroms ausmacht, so soll das Schutzelement nach einer bestimmten, von diesem Faktor abhängigen Zeit den Strom abschalten. Dies gilt besonders für Motorschutzschaltungen, die in Reihe mit einem Elektromotor liegen und während einer gewissen Zeit, z. B. 1 bis 10 sec einen erhöhten Motoranlaufstrom tragen müssen, der beispielsweise bis zum 5- bis 10-fachen des Nennstroms beträgt. Anschliessend soll der Grenzwert, bei dem die Motorschutzschaltung abschaltet, bis nahe an den Nennstrom absinken, so dass zur Vermeidung einer thermischen Ueberlastung des Motors auf Dauer nur ein kleiner Ueberstrom toleriert wird.

Derartige Motorschutzschaltungen können derzeit nur durch verhältnismässig aufwendige Reihenschaltungen verschiedener Schaltelemente realisiert werden, z. B. einer rasch auf kurze hohe Ueberströme, wie sie etwa durch Blitzschlag verursacht werden, reagierenden Sicherung, eines auf etwas länger dauernde weniger ausgeprägte Ueberströme wie z. B. Kurzschlussströme ansprechenden Schalters und eines Thermorelais, das bei langanhaltenden geringen Ueberströmen abschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schutzelement zu schaffen, das eine für derartige Aufgaben geeignete Abhängigkeit der Ansprechzeit vom Ueberstromfaktor aufweist und das daher im Rahmen einer einfacheren Schaltung, vorzugsweise allein oder in Reihe mit lediglich einem Schalter oder Trenner ausreicht, um eine solche Schutzaufgabe zu erfüllen.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gemäss dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Während etwa herkömmliche PTC-Widerstände eine Auslösekennlinie aufweisen, welche bei korrekter Einstellung im Bereich kurzer hoher und tiefer langandauernder Ueberströme bei üblichen Motoranlaufströmen zu rasch ansprechen oder umgekehrt zwar die erforderlichen Motoranlaufströme zulassen aber bei kurzen hohen und vor allem bei tiefen langandauernden Ueberströmen zu langsam reagieren, lässt sich dies durch die erfindungsgemässe Massnahme korrigieren, indem die Erwärmung des Widerstandselements im Bereich zu erwartender Motoranlaufströme gezielt verzögert und die Ansprechzeit dadurch verlängert wird.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile liegen vor allem darin, dass sie die Möglichkeit eröffnet, einfach aufgebaute, zuverlässige und mit verhältnismässig geringem Aufwand herstellbare Schutzelemente für den Schutz empfindlicher Bauteile vor Ueberströmen herzustellen. Besonders geeignet sind erfindungsgemässe Schutzelemente als Motorschutzschaltungen für Elektromotoren oder als Komponenten derartiger Schaltungen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: ein Schaltbild enthaltend einen Elektromotor und eine Motorschutzschaltung mit einem erfindungsgemässen Schutzelement und
Fig. 2: die Ansprechzeit als Funktion des Ueberstromfaktors für ein bekanntes gattungsgemässes Widerstandselement und für ein erfindungsgemässes Schutzelement, ausserdem die Grenzwerte für einen zulässigen Motoranlaufstrom.

Erfindungsgemässe Schutzelemente weisen jeweils in bekannter Weise einen mit zwei Kontaktelektroden versehenen Widerstandskörper auf. Gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel ist der Widerstandskörper folgendermassen zusammengesetzt: als Matrixmaterial dient ein hitzebeständiger Thermoplast, vorzugsweise ETFE, z. B. Hostaflon® der Hoechst AG mit einem Schmelzpunkt zwischen 210°C und 270°C, jedenfalls mindestens 200°C. Der Anteil an der Masse des Widerstandskörpers beträgt 40%(Vol.). Als erster Füllstoff wird TiB₂-Pulver beigemischt, und zwar ebenfalls 40%(Vol.). Das Material weist eine sehr hohe Leitfähigkeit auf, so dass das Schutzelement bei niedrigen Temperaturen einen geringen Widerstand zeigt. Die verbleibenden 20%(Vol.) fallen auf einen zweiten Füllstoff, Pentaerythrit, das ebenfalls in Pulverform beigegeben wird. Dieses Phasenübergangsmaterial weist einen fest-fest-Phasenübergang bei einer kritischen Temperatur T_c=187°C auf, bei welchem es 505J/cm³ Umwandlungswärme aufnimmt.

Bei einem Schutzelement nach einem zweiten Ausführungsbeispiel werden das gleiche Matrixmaterial und der gleiche erste Füllstoff zu den gleichen Anteilen verwendet wie beim ersten. Als zweiter Füllstoff wird, ebenfalls zu 20%(Vol.), UHMWPE in Pulverform beigegeben. Ein derartiges Polymer, das bei 135°C schmilzt, kann ebenfalls von der Firma Hoechst bezogen werden. Dieses Phasenübergangsmaterial nimmt beim Schmelzen 186 J/cm³ an Umwandlungswärme auf. Es ist dann noch hochviskos, so dass sein Phasenübergang weiter keine wesentliche Auswirkung auf den Zustand des Widerstandskörpers hat.

Es sind natürlich viele andere Zusammensetzungen des Widerstandsmaterials für das Schutzelement möglich. Insbesondere kann als zweiter Füllstoff auch Pulver von ferroelektrischem Material wie NaNO₂ oder NaNO₃ eingesetzt werden. Diese Phasenübergangsmaterialien weisen jeweils einen fest-fest-Phasenübergang bei T_c=162°C bzw. 275°C auf und nehmen Umwandlungswärmen von 40,1J/cm³ bzw. 209J/cm³ auf.

Daneben können Phasenübergangsmaterialien eingesetzt werden, die bei verhältnismässig tiefer Temperatur schmelzen, also einen fest-flüssig-Phasenübergang zeigen. Hier kommen vor allem Metalle und Legierungen in Frage, z. B. Sn mit einem Schmelzpunkt von T_c=157°C oder Sn/Pb-63/37 mit T_c=183°C, aber auch Salze oder organische Substanzen wie Quinol mit T_c=172°C. Vorzugsweise werden schmelzende Materialien in mikrogekapselter Form verwendet, da sonst die Gefahr besteht, dass das Schmelzen des Materials irreversible Veränderungen im Widerstandskörper hervorruft. Derartige Materialien werden beispielsweise von Triangel Research and Development Corporation angeboten. Vorzugsweise werden Phasenübergangsmaterialien eingesetzt, deren Umwandlungswärme verhältnismässig gross ist, z. B. mindestens 40 J/cm³ beträgt.

Als Matrixmaterial kommt neben hochschmelzenden Thermoplasten auch Polyäthylen in Frage, das bei ca. 135°C schmilzt. Dies entspricht der Schalttemperatur des Schutzelements, so dass die kritische Temperatur T_c des zweiten Füllstoffs tiefer liegen sollte. Auch für den ersten Füllstoff kann natürlich eine andere Wahl als TiB₂ getroffen werden.

Bei Stromstärken bis zu einem bestimmten Nennstrom sind die Teilchen des ersten Füllstoffs miteinander in Kontakt und bilden durchgehende Strompfade. Die Temperatur des Widerstandskörpers ist stabil und das Schutzelement weist geringen elektrischen Widerstand auf. Bei höheren Strömen werden die besagten Teilchen zunehmend erwärmt und durch den Kontakt mit ihnen auch die Polymermatrix, bis diese bei Erreichen der Schalttemperatur schmilzt. Die Teilchen des ersten Füllstoffs werden dadurch getrennt und der Widerstand des Schutzelements steigt rasch um mehrere Grössenordnungen an. Die Ansprechzeit, die bis zum Erreichen der Schalttemperatur verstreicht, hängt von der Energieaufnahme und diese wieder vom Ueberstromfaktor, d. h. dem Quotienten I/I_n zwischen tatsächlichem Strom 1 und Nennstrom I_n ab.

Bei einem erfindungsgemässen Schutzelement wird bei nicht zu hohen Werten des Ueberstromfaktors durch die Umwandlungswärme, die der zweite Füllstoff bei seinem Phasenübergang aufnimmt, der Temperaturanstieg im Widerstandskörper verlangsamt. Die Schalttemperatur wird dadurch später erreicht und die Ansprechkennlinie angehoben. Bei sehr hohen Ueberströmen wird die Schalttemperatur dagegen erreicht, bevor ein Phasenübergang eintreten kann, so dass derselbe sich auf die Ansprechzeit nicht auswirkt. Bei tiefem Ueberstromfaktor wiederum ist die Ansprechzeit so gross, dass die durch den Phasenübergang bewirkte Verzögerung kaum ins Gewicht fällt. Die Verlängerung der Ansprechzeit durch den Phasenübergang lässt sich jeweils durch die Dosierung des zweiten Füllstoffs und seine Umwandlungswärme beeinflussen. Die Stromstärke, bei der der Effekt auftritt, hängt u. a. von der Schnelligkeit ab, mit der der Phasenübergang eintritt und lässt sich mindestens innerhalb gewisser Grenzen durch die Teilchengrösse des zweiten Füllstoffs steuern. Es ist natürlich möglich, auch kompliziertere Kennlinien einzustellen, indem etwa der zweite Füllstoff aus zwei oder mehr Phasenübergangsmaterialien zusammengesetzt wird, welche bei verschiedenen kritischen Temperaturen Phasenumwandlungen unterliegen.

Wie erläutert bewirkt also der Phasenübergang des zweiten Füllstoffs vor allem in einem bestimmten Ueberstrombereich eine spürbare Verlängerung der Ansprechzeit des Schutzelements. Dies kann in einer Motorschutzschaltung ausgenützt werden, wie sie Fig. 1 zu entnehmen ist. Dort liegt ein Elektromotor 1 mit einer Motorschutzschaltung 2 und einer Stromquelle 3 in Serie. Die Motorschutzschaltung 2 enthält ein erfindungsgemässes Schutzelement 4 und einen Schalter 5, welcher nach allfälligem Ansprechen des Schutzelements 4 geöffnet wird.

In Fig. 2 ist die Ansprechzeit T eines typischen bekannten gattungsgemässen Schutzelements aus 50%(Vol.) ETFE als Matrixmaterial und 50%(Vol.) erstem Füllstoff als Funktion des Ueberstromfaktors F=I/I_n gestrichelt dargestellt und die entsprechende Funktion eines erfindungsgemässen Schutzelements, bei welchem 40%(Vol.) ETFE, mit 40%(Vol.) TiB₂ und 20%(Vol.) UHMWPE vermischt sind, durchgezogen. Ebenfalls durchgezogen sind die zulässige Dauer des Motoranlaufstroms und der dem zulässigen Grenzwert desselben entsprechende Ueberstromfaktor eingezeichnet.

Die beiden Schutzelemente sind so dimensioniert, dass ihre Ansprechzeiten jeweils bei hohen und bei tiefen Ueberstromfaktoren praktisch übereinstimmen. Im Bereich maximal zulässigen Motoranlaufstroms ist die Ansprechzeit T des bekannten Schutzelements zu klein. Diejenige des erfindungsgemässen Schutzelements ist dort dagegen angehoben, so dass sie knapp oberhalb der zulässigen Dauer des Motoranlaufstroms liegt.

Claims

Schutzelement zum Schutz eines Stromverbrauchers vor Ueberlastung mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten Widerstandskörper, dessen elektrischer Widerstand bei Erreichen einer Schalttemperatur sprunghaft ansteigt, aus einer Polymermatrix und einem ersten pulverförmigen Füllstoff aus einem leitfähigen Material sowie einem zweiten pulverförmigen Füllstoff, welcher mindestens ein Phasenübergangsmaterial enthält, das bei einer kritischen Temperatur (T_c) einer Phasenumwandlung unterliegt, bei welchem es Umwandlungswärme aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Temperatur (T_c) unterhalb der Schalttemperatur liegt.
Schutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite pulverförmige Füllstoff mindestens ein Phasenübergangsmaterial enthält, das einem fest-fest-Phasenübergang unterliegt.
Schutzelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Füllstoff mindestens eines der folgenden Phasenübergangsmaterialien enthält: Pentaerythrit, NaNO₂, NaNO₃.
Schutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite pulverförmige Füllstoff mindestens ein Phasenübergangsmaterial enthält, das einem fest-flüssig-Phasenübergang unterliegt.
Schutzelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Füllstoff mindestens eines der folgenden Phasenübergangsmaterialien enthält: UHMWPE, Quinol; Metall, Legierung oder Salz, insbesondere mikrogekapselt.
Schutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungswärme des Phasenübergangsmaterials jeweils mindestens 40 J/cm³ beträgt.
Schutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix mindestens überwiegend aus Thermoplasten oder Polyäthylen besteht.
Schutzelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix mindestens überwiegend aus Fluor-Thermoplasten, insbesondere ETFE besteht.
Verwendung eines Schutzelements (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer mit einem Elektromotor (1) in Reihe liegenden Motorschutzschaltung (2).