HUT73126A

HUT73126A - Device for protecting against overcurrent

Info

Publication number: HUT73126A
Application number: HU9501148A
Authority: HU
Inventors: Per Olof Karlstroem
Original assignee: Seldim I Vaesteras Aktiebolag
Priority date: 1992-11-02
Filing date: 1993-11-01
Publication date: 1996-06-28
Also published as: CZ109595A3; SE470296B; JPH08505731A; NO951615D0; US5565826A; FI952040A; EP0667050B1; FI952040A0; WO1994010734A1; PL308547A1; SE9203234L; AU5437194A; NO951615L; EP0667050A1; HU9501148D0; SE9203234D0

Description

MŰSZAKI TERÜLET

A találmány túláramvédő eszköz villamos áramkörökhöz. Az eszköz legalább egy villamosán vezető testet és két elektródát tartalmaz, amely utóbbiak feladata, hogy a villamosán vezető testen átvezessék az áramkör áramát, és amelyek a megfelelő helyen közvetlenül, vagy egy közbenső rész útján felfekszenek a testre. Az eszköz tartalmaz továbbá egy nyomószerkezetet az érintkezési nyomás

-2.......· • · · ··· * ·.,· .:. ··· létrehozására. Az eszköz elsősorban olyan kisfeszültségű rendszerekben való használatra alkalmas, melyek üzemi feszültsége maximálisan 1000 V.

A KORÁBBI TECHNIKA

Az áramkorlátozó eszközök, avagy a szakterület terminológiáját használva a rövidzárlat-védelmek, főképp olvadóbiztosítókat és megszakítókat tartalmaznak, melyeknek legtöbbször áramkorlátozó tulajdonságaik vannak. Ezen a szakterületen több szabvány is létezik, például az olvadóbiztosítókra vonatkozó IEC 269 szabvány és a megszakítókra vonatkozó IEC 947-2 szabvány. A rövidzárlatvédelmek a rajtuk átfolyó rövidzárlati áramok hatására aktivizálódnak. Ez az aktivizálódás két fő alapelv szerint történhet, így azokat a következő két csoportra oszthatjuk:

1. Az olvadóbiztosítók, a pozitív hőmérsékleti együtthatójú termisztorok, valamint az önvisszaálló rövidzárlat-védők, melyek az US 3 886 551 szabadalmi leírásban találhatók, akkor aktivizálódnak, amikor a rajtuk átfolyó rövidzárlati áram hatására megnövekszik bennük az ohmikus teljesítmény. Amikor az olvadóbiztosítóban a villamos energia által okozott hőmérsékletnövekedés eléri a benne lévő anyag olvadáspontját, az ellenállásnövekedés hatására megkezdődik a rövidzárlati áram korlátozása.

2. A villamos íven alapuló áramkorlátozó megszakítók, mint például a teljesítménymegszakítók, közvetlenül aktivizálódnak azáltal, hogy a mágneses energia mechanikai energiává alakul át a megszakítóban lévő kontaktusrendszerben fellépő elektrodinamikus erők hatására, vagy indirekt módon egy külön aktivizáló szerkezeten keresztül, amely egy elektromágneses kioldót (plunger, Schlagstiftanordnung) tartalmaz, amely szintén a főáram hatására aktivizálódik. Egy mágneses áramkörben található armatúra működteti a villamos kontaktusrendszert és/vagy egy rugómechanizmusú kioldót, amely ki/be funkciót hajt végre. Távirányítás is használatos, például az automatikus árammegszakítókban két stabil mechanikai egyensúlyi ki és be állapot fenntartására. Olyan kontaktusrendszerek, amelyekben az elektrodinamikái áramerő közvetlenül hat a villamos kontaktusokra, már korábban ismertek a szakterületen, például a GB 1 519 559, GB 1 489 010 és GB 1 405 377 szabadalmi leírásokból.

-3A két elvet egyaránt alkalmazó hibridek többek között a GB 1 472 412 szabadalmi leírásban, az IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology, Vol. CHMT-5, No. 2, 1982. júniusi számában a 225230. oldalakon megjelent, R.S. Perkins és társai által publikált, A New PTC Resistor fór Power Applications című cikkben, valamint az US 3 249 810 és a DE 3 544 647 számú szabadalmi leírásokban lettek közzétéve.

A fent említett 1. és 2. csoportnak megfelelő rövidzárlat-védők komoly hátránya, főleg a meredek, gyorsan növekvő rövidzárlati áramok esetében a nagy belső tehetetlenség. A fenti 1. csoportba tartozó rövidzárlat-védőket a termikus tehetetlenség korlátozza, a villamos íven alapuló megszakítókat pedig a mechanikai tehetetlenség, vagyis a tömegből származó tehetetlenség, amely akkor válik szignifikánssá, ha a villamos kontaktusokat gyorsan kívánjuk megszakítani. A villamos íven alapuló megszakítókban az említett tömegtehetetlenség miatt a villamos ív késleltetve jelenik meg a kapcsolókon, s ezért az áram korlátozáshoz szükséges ívfeszültség csak viszonylag hosszú késleltetési idő (ms) után éri el azt az értéket, amely korlátozza az egyébként monoton növekvő rövidzárlati áramot. Ezen kívül nagyon nagy, a készülék előírt vagy névleges áramának négyzetével arányos érintkezési nyomás szükséges ahhoz, hogy a villamos kontaktusok az előírt áramot normális üzemi áramok mellett is szállítani tudják. Ez szintén akadályozza a villamos kontaktusok gyors megszakítását, mivel az érintkezési nyomás az elektrodinamikus taszító és elválasztó erők ellen hat.

A fent említett 1. és 2. csoportban leírt rövidzárlat-védőknél nagyon korlátozott az érzékenység állításának lehetősége, így átfogó koordinációs munka szükséges az áramkörökben a fő és alárendelt villamos biztosítók elhelyezésére. Ezért szabványokat dolgoztak ki, mint például a DIN 57636 Teil 21/VDE 0636 Teil 21, 7. és 12. §, valamint az IEC 947-2 szabványt, miután a hibás koordináció többek között szelektivitási problémákat okozhat, melyeket nehéz kiküszöbölni a már meglévő rendszerekben.

Az 1. és 2. csoportba tartozó rövidzárlat-védők a fent említett hátrányok következtében, kiváltképpen tehetetlenségük miatt, kevésbé alkalmasak rövidzárvédelmi vagy tranziens áram védelmi feladatok ellátására tirisztorok vagy elektronikus berendezések esetén, mivel ez utóbbiak érzékenyek a nagy áramváltozásra és nagy rövidzárlati áramokra, amelyek mind a kapacitív áramkörökben, mind a feltételezett nagy rövidzárlati áramú indukciós

-4- .............

motoráramkörökben felléphetnek. A feltételezhető rövidzárlati áram tipikus értéke Ik = 50-100 kA, valamint az ennek megfelelő áramváltozás 22-44 kA/ms. Egy 100 A-es hagyományos biztosító ezek alapján egy körülbelül 16 kA csúcsértékű és fi .dt = 20 kA²s nagyságú áramlökést enged át, mely jóval meghaladja a megfelelő tirisztorokra megengedett értéket. Ezért a tirisztoros áramkörökbe gyakran fojtást iktatnak be az áramváltozások mérséklésére, és így a fent leírt rövidzárlat-védelem már használható.

Az önvisszaálló rövidzárlat-védők elsősorban termisztorokból állnak. A PTCelem kifejezés az olyan termisztorok elfogadott elnevezése, melyek ellenállásának hőmérsékleti együtthatója pozitív (Positive Temperature Coefficient).

Villamosán vezető polimerkompozíciók, különösen PTC-kompozíciók és olyan készülékek, melyek PTC-kompozíciókat tartalmaznak, már ismertek. Ilyeneket ismertetnek az US 2 978 665, US 3 351 882, US 4 017 715, US 4 177 376 és US 4 246 468 szabadalmi leírások, valamint a GB 1 534 715 szabadalmi leírás. Az újabb fejlesztések megtalálhatók például a DE 2 948 350, DE 2 948 281, DE 2 949 174 és DE 3 002 721 szabadalmi leírásokban, és különféle szabadalmi bejelentésekben, úgy mint a 41 071 (MPO 295), 67 207 (MPO 299) és 88 344 (MPO 701) számú USA-beli szabadalmi bejelentésekben, valamint a 141 984 (MPO 712), 141 987 (MPO 713), 141 988 (MPO 714), 141 989 (MPO 715), 141 991 (MPO 720) és 142 054 (MPO 725) számú USA-beli szabadalmi bejelentésekben.

A PTC-elemekkel kapcsolatban problémát jelent, hogy amikor azok az átfolyó áram hatására felforrósodnak és elérik a PTC-elem önszabályozó hőmérsékletét, a feszültséget a PTC-elem egy kis része veszi fel. Ez a kis rész nagyon nagy megterhelésnek van kitéve, és emiatt a PTC-elem meghibásodhat. A problémát kiküszöbölő PTC-megvalósítások ismertek például az EP 0 038 716 szabadalmi leírásból. A túláram-védelemre szolgáló PTC-elemek gyakran polimer anyagból, például nagynyomású polietilénből készülnek, melyek villamosán vezető anyagszemcséket tartalmaznak, mint például lámpakormot vagy szénkormot, és ellenállásuk nagy pozitív hőmérsékleti együtthatóval rendelkezik.

PTC-karakterisztikájú kerámia termisztorok a GB-A-1 570 138 szabadalmi leírásból ismertek. A leggyakrabban előforduló kerámia termisztorok BaTiŰ3 vagy V2O3 alapúak.

• ·

-5- .............

A polimer alapú termisztorok előnye a kerámia alapú termisztorokkal szemben, hogy előbbiek ellenállása a hőmérséklettel monoton növekszik, és ezen kívül viszonylag olcsó az előállításuk. Mindamellett a kereskedelemben kapható polimer termisztorok névleges feszültsége viszonylag kicsi, és ezért ezeket nem lehet minden további nélkül például elosztóhálózatokban alkalmazni. Továbbá a termisztorok elektróda kapcsolódási konfigurációja általában úgy van kialakítva, hogy a termisztorok nagy rövidzárlati áramnál nagy taszító erőnek vannak kitéve a nem párhuzamos áramutak miatt, s ennélfogva az elektródák szétszakadnak. Az is ismert, hogy a szendvics-típusú, műanyag alapú PTC-elemek nem állnak vissza a kiindulási ellenállásra miután kis ellenállású állapotból átmentek nagy ellenállású állapotba. Komolyabb esetekben, amikor a PTC-elemek nagyon nagy villamos igénybevételnek vannak kitéve, mint például rövidzárlati áramnál, a PTC-elem polimerkompozíciójának központi vagy más részeiben buborékok és repedések jöhetnek létre úgy, hogy az elem nem képes tovább üzemelni, vagyis tönkremegy.

A fent említett okok miatt a polimer alapú termisztorok eddig nem nagyon kerültek gyakorlati felhasználásra a villamos energiaipar területén, azokat főként elektronikus készülékek védelmére használták, bár a termikus tehetetlenség itt is korlátozza a felhasználási területet.

A termisztorok és az olvadóbiztosítók közötti lényeges különbség, hogy a termisztorok önmaguktól visszaállnak rövidzárlat után, vagyis a termisztorok, ugyanúgy mint a megszakítók, a rövidzárlat után újból felhasználhatók.

Az elasztomerek olyan polimerekből állnak, amelyek a természetes gumihoz hasonlóan elasztikus tulajdonságokkal rendelkeznek. Az elasztomerek egy viszonylag nagy megengedett rugalmassági határon belül összenyomhatóak vagy nyújthatóak, és a terhelés megszűnte után eredeti nagyságukra visszaállnak. A villamosán vezető elasztomerek a gumik és műanyagok egy osztályát alkotják. Ezeket fémkeverék hozzáadásával, fémrostok villamos tér segítségével történő orientálásával, vagy különböző szénkeverékek, illetve kerámiák hozzáadásával teszik képessé az elektromosság vezetésére. Az utóbbira példa a V-203 anyag diszpergálása oly módon, ahogy azt D. Moffat és társai a Proceedings of the Sixth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics 1986. évi számában a 673-676. oldalakon publikált V203 Composite Thermistors című cikkükben leírták. A gumiban a szénkorom számos típusa használatos, úgy mint a grafit, az acetilén korom, a lámpakorom és a kemence korom. Ezek részecske

-6átmérője 10-300 nm között van. A fémkeverékek vagy szénkeverékek hozzáadásával villamosán vezetővé tehető megfelelő gumianyagok, például a butil, naturál, polikloroprén, neoprén, EPDM, valamint a leggyakoribb, a szilikongumi. Az elasztomerekben alkalmazható fémpor vagy fémvegyületpor adalékok lehetnek ezüst, nikkel, réz, ezüstözött réz, ezüstözött nikkel, valamint ezüstözött alumínium anyagúak.

A villamosán vezető elasztomereket az érzékeléstechnikában is használják nyomásérzékelőként. A villamosán vezető elasztomerek deformációjakor megváltoznak a villamos tulajdonságok, például nyomás vagy húzás hatására megváltozik az ellenállás.

A szénnel vagy fémmel adalékolt műanyagok leggyakoribb típusai a polietilén és a polipropilén. Ezeket jelenleg fűtőkábelekre, valamint túláramvédelemre használják például a korábban említett polimer alapú PTCtermisztorokban.

Mindamellett a műanyagok mechanikai tulajdonságai villamosán vezető anyag hozzáadásával romlanak. Az anyag porózussá, keménnyé, vagyis nehezen deformálhatóvá válik. Ezért ezek az anyagok nem alkalmasak nyomásérzékelésre, és a PTC-alkalmazásoknál viszonylag bonyolult érintkezési technikát igényelnek. A szénnel adalékolt műanyagok további korlátja a viszonylag nagy ellenállás, amelynek tipikus értéke 1 Ωοιίί vagy annál nagyobb. Ezzel szemben a fémmel adalékolt műanyagok lényegesen kisebb ellenállással gyárthatók, ellenállásuk kisebb mint 0,5 Qcm, de ugyanakkor feszültségstabilitásuk nagyon rossz, s ezért nem alkalmasak túláramvédelemre.

A villamosán vezető elasztomerek ellenállása fémpor hozzákeverésével nagyon kicsivé, például 2 mQcm vagy ennél kisebb értékűvé tehető. Az ilyen elasztomerek előnye, hogy lágyabbak mint a szénnel adalékolt polietilén vagy polipropilén, még akkor is, ha nagy mennyiségű villamosán vezető anyagot tartalmaznak. Az ilyen elasztomerek tipikus Shore-féle keménysége az amerikai ASTM D2240 (Q/C) szabvány szerint 20-80.

A TALÁLMÁNY ISMERTETÉSE

A találmány célja, hogy létrehozzunk egy viszonylag egyszerű és olcsó túláramvédő eszközt, amely nagyon gyors áramváltozások esetén is képes • · • · • ·

-7- .............

korlátozni a kisfeszültségű hálózatokban előforduló legnagyobb rövidzárlati áramokat, és amelynek kioldási karakterisztikája, azaz érzékenysége könnyen a védeni kívánt tárgyhoz igazítható.

A kitűzött célt a találmány szerinti túláramvédő eszközzel érjük el, amelynek jellemzőit az 1. igénypont tartalmazza.

Azáltal, hogy a túláramvédő eszközben található villamosán vezető elasztomer anyagú test legalább egy domború vagy konvex felületét egy nyomószerkezet segítségével deformáljuk, és az eszközben elektródákat alkalmazunk, melyek az eszközön keresztülhaladó áramot vezetik, a technika állása szerinti hagyományos rövidzárlat-védőknél jelentősen hatékonyabb áramkorlátozást érünk el. Ez jelentős költségmegtakarítást jelent, különösen a túláramvédő eszköz lefelé menő áramoldalán. Az eszköz mind a hagyományos olvadóbiztosítókat, mind az úgynevezett automata biztosítókat (MCB) helyettesíteni tudja, és rendelkezik ezek előnyeivel anélkül, hogy hátrányaik jellemeznék, úgy mint az olvadóbiztosító korlátozott élettartama, és az automata biztosító rövidzárlatnál jelentkező korlátozott megszakítás! képessége.

Az áramkorlátozó elemként funkcionáló túláramvédő eszköz legalább egy villamosán vezető elasztomer anyagú testet és két elektródát tartalmaz. Az elasztomer test polimer-kompozíciója bármely önmagában ismert kompozíció lehet. A megfelelő elasztomerekre példa különösen a butil, naturál, polikloroprén, neoprén, EPDM és a szilikongumi. A villamosán vezető porított anyag állhat különösen ezüstből, nikkelből, kobaltból, ezüstözött rézből, ezüstözött nikkelből, ezüstözött alumíniumból, lámpakoromból, vezető koromból vagy szénkoromból. A por alakú anyag megfelelő szemcsenagysága 0,01-10 mikrométer, és a por alakú adalékanyag megfelelő mennyisége a por alakú adalékanyag és az elasztomeranyag össztömegének 40-90%-a. A villamosán vezető elasztomer test ellenállása célszerűen a 0,1 mQcm - 10 Ωατι tartományban van. Ha az eszköz egynél több villamosán vezető elasztomer testet tartalmaz, akkor a testek készülhetnek ugyanabból az elasztomerből vagy különböző elasztomerekből. Ekkor az elasztomer testek vagy ugyanolyan, vagy különböző adalékanyaggal és ellenállással rendelkeznek. Az elektródák hagyományos kialakításúak, anyaguk lehet például ezüstözött réz. Az elektródák célszerűen úgy vannak elhelyezve, hogy nagy átfolyó áram hatására az elektródák között taszító erő lép fel. Az elektródákon lévő nyomóerő, amelyet például az US 3 914 727 szabadalmi leírásban leírt • · ·

-8nyomószerkezettel, vagy egy villamos kapcsoló ki/be funkcióját ellátó hagyományos rugószerkezettel hozhatunk létre, deformálja a konvex érintkezési felülettel rendelkező elasztomer testek felületét. Ez a deformáció előnyösen legalább 5%-os mértékű. Különösen előnyös 5-30%-os deformáció, amelyet úgy definiálunk, hogy ha az elasztomer testtel határos testek közötti távolságot, vagyis azt a távolságot, amikor a nyomás nulla értékű és a határoló testek érintik az elasztomer testet d-vel jelöljük, és a nyomás hatására a távolság 0,7d-re változik, akkor a test deformációja 30%. Különösen előnyösek azok az elasztomer testek, amelyek keménysége az angol BS903/A26 szabványnak megfelelően 30 és 50 IRHD között van, bár használhatók kisebb vagy nagyobb keménységű anyagok is.

A találmány előnyös kiviteli alakjai az aligénypontokban vannak megadva.

A találmánnyal lehetségesnek bizonyult, hogy ellensúlyozzuk vagy pedig teljesen kiküszöböljük a technika állása szerinti megoldások hátrányait, úgy mint a túláramvédők érzéketlenségét, stb. A túláramvédő eszköz ellenállása kisebb energiafejlődés mellett változik meg, amikor nagy rövidzárlati áram lép fel, s ezáltal csökken a termikus és mechanikai tehetetlenség. Továbbá a túláramvédő eszköz, miután kis ellenállású állapotból átment nagy ellenállású állapotba, visszatér a kezdeti ellenállásra és újból felhasználható, miután rövidzárlati áramok hatásának volt kitéve. A találmánnyal elért eredmények egyik lehetséges oka a következő lehet. Az áram normális áthaladásánál kis átmenő ellenállás áll fenn az egymással az átmeneti felületen keresztül kontaktusban lévő elemek között. Az átmeneti felület úgy jön létre, hogy a konvex érintkezési felülettel rendelkező test vagy testek (ha több ilyen test is van az eszközben) egy külső nyomószerkezet hatására deformálódnak. Amikor nagy rövidzárlati áramok lépnek fel, az elektródák szeparálódnak a fellépő áramerők hatására. Ezen kívül úgynevezett kontrakciós erők jönnek létre az elasztomer testek konvex érintkezési felülete (ha egy ilyen felület van) és a vele határos testek között az érintkezési felület előnyös kialakítása miatt. Ezáltal csökken az érintkezési felület részben azért, mert a konvex érintkezési felülettel rendelkező elasztomer testek képesek deformálódni, részben pedig azért, mert az elektródák szeparálódnak. Ezáltal az energiafejlődés gyorsabban növekszik a csökkenő átmeneti felületen, s így az átmeneti felületen az elasztomer test ellenállása jelentősen megnövekszik anélkül, hogy az a megengedettnél nagyobb megterhelésnek lenne kitéve. Ezen kívül az elasztomer test előnyös keresztmetszeti kialakítása miatt az áramsűrűség a keresztmetszeti

-9felület szimmetriavonala mentén a legnagyobb az elektródák között, ami azt jelenti, hogy az anyag itt van a legnagyobb megterhelésnek kitéve, s ez megakadályozza a keresztmetszetben az áramirányra merőleges repedések és buborékok képződését.

A technika állásának ismertetésénél leírt fizikai tulajdonságok kombinálásával, úgymint a villamosán vezető elasztomerek nyomásérzékenységével, az átmeneti felülettel, a villamosán vezető elasztomer testek és elektródák megfelelő geometriai elrendezésével elérhető elektrodinamikus taszító hatással, valamint megfelelő elektródaanyag választásával, a találmány szerinti túláramvédő eszköznél többek között a következő előnyök érhetők el:

a) Jelentősen megnövekedett érzékenység nagy áramváltozások és rövidzárlati áramok esetén azért, mert egy rugós nyomószerkezet, valamint egy előnyös elektróda kialakítás egy speciális alakú villamosán vezető elasztomer testtel együtt taszítja az elektródákat.

b) Az eszköz nagyon kis ellenállásúvá tehető a villamosán vezető elasztomer test és az elektróda között lévő érintkezési átmenet deformációja miatt.

c) Kisebb szelektivitási probléma alá és fölérendelt védelmet tartalmazó elektromos áramkörökben.

d) Az eszköz visszatér a kezdeti ellenállásra, miután átment kis ellenállású állapotból nagy ellenállású állapotba.

e) Egyszerű megszakító szerkezet valósítható meg, amelyet adott esetben nem szükséges ív-ellenzőkkel ellátni, ha az elektródák mechanikailag egy olyan hagyományos megszakító ki/be mehanizmusához vannak hozzákapcsolva, mely a be állásban elegendő nyomást tud fenntartani az elektróda és a villamosán vezető elasztomer test között.

f) Az e) pontnak megfelelő megszakító alkalmazása esetén megszűnik a hegesztési kockázat.

g) A bekapcsolási funkció érzéketlen a vibrációra és a visszapattanásra.

h) Az eszköz érzékenysége ismert módon beállítható és megváltoztatható, ha a nyomást a nyomószerkezet tartja fenn, ezért ugyanaz a túláramvédő eszköz tág áramtartományban használható.

i) Nagyon kicsi külső méretek, mivel a villamosán vezető elasztomerek ellenállása nagyon kicsire választható, kisebbre mint 1 πίΩοό.

-10j) A tirisztoros áramkörökben elhagyható a speciális vasmagos tekercs.

A RAJZOK RÖVID LEÍRÁSA

A továbbiakban a találmányt rajzokon szemléltetett kiviteli példák alapján ismertetjük, ahol az

1a, 1b és 1c ábrák három előnyös kiviteli alak egy részletének keresztmetszeti képei, mely részlet elsősorban a villamosán vezető elasztomer testeket és az elektródákat tartalmazza, a

2. ábra az R ellenállást mutatja a két elektróda közötti d távolság függvényében, ahol a két elektróda között villamosán vezető, r sugarú félkör keresztmetszetű elasztomer test nyomódik össze, a

3. ábra a találmány szerinti túláramvédő eszköz egy kiviteli alakját mutatja villamos áramkörbe kapcsolva, a

4. ábra a 3. ábra szerinti túláramvédő eszköz alkalmazása esetén rövidzárlatnál fellépő áramváltozást mutatja, az

5. ábra egy találmány szerinti túláramvédő eszköz és hagyományos védelem, például olvadóbiztosító és megszakító (MCB) Ji².dt görbéi közötti összehasonlítást mutatja, a

6. és 7. ábra egy-egy találmány szerinti elasztomer testnek és a hozzá tartozó elektródáknak, valamint repulziós szerkezeteknek keresztmetszeti rajzát mutatja, a

8.-19. ábrák a találmány szerinti túláramvédő eszköz további kiviteli alakjait ábrázolják, a

20a ábra a találmány szerinti túláramvédő eszköz egy kiviteli alakjának keresztmetszeti rajzát mutatja, a

20b ábra a 20a ábrán látható túláramvédő eszközt ábrázolja villamos áramkörbe kapcsolva, a

20c ábra az i(A) és a t(ms) közötti függvénykapcsolat diagramja, a

21a ábra a 20a ábrán látható túláramvédő eszköz módosított kiviteli alakját mutatja, a

21b ábra a 21a ábrán látható túláramvédő eszköz oldalnézete, a

22a és 22b ábrák a 20a és a 21 ábrákon látható túláramvédő eszköz módosított kiviteli alakját mutatják, a

-11 23a és 23b ábrák a 22a és 22b ábrákon látható túláramvédő eszköz módosított kiviteli alakját mutatják, a

24a és 24b ábrák a túláramvédő eszköz egy-egy különösen előnyös kiviteli alakját mutatják, a

24c ábra az R(Ohm) és X(m) közötti kapcsolatra vonatkozó görbe, és a

25a, 25b, 25c és 25d ábrák a túláramvédő eszköz egy további kiviteli alakjának elrendezéseit mutatják.

A 6. ábra egy, az 1b ábrán szemléltetett eszközhöz hasonló túláramvédő eszközt mutat. A túláramvédő eszköznek van egy középen elhelyezett, homogén hengeres 10 teste, amelynek átmérője 3 mm, hossza 10 mm és deformálható, villamosán vezető elasztomer anyagból van, amely például 80 tömegszázalék ezüstport és 20 tömegszázalék szilikonműanyagot tartalmazhat, valamint két, a 10 testet ellenkező oldalain érintő, egymással párhuzamos 11 és 12 elektródája. Az ábrázolt kivitelben a 10 test Shore-féle keménysége a BS 903/A26 szabványnak megfelelően 40. A 11 és 12 elektródák 0,7 mm vastag meghajlított ezüstözött rézlemezből készülnek. A 11, 12 elektródákat a 10 testhez rugós 14 nyomószerkezet szorítja, amely önmagában ismert módon nyomást gyakorol a 11 és 12 elektródákra, és létrehozza a 10' és 10 érintkezési felületek deformációját, mely körülbelül 30 %-os mértékű. Az eszköz érzékenysége, illetve reakciója megnövelhető egy 13 repulziós szerkezet segítségével, ilyen található például a GB 1 519 559 vagy a GB 1 489 010 szabadalmi leírásokban, vagy pedig a 11, 12 elektródák kialakítás lehet olyan, hogy azokban ébrednek egymást taszító elektrodinamikus erők túláram hatására.

A 13 repulziós szerkezet alternatív módon lehet az US 4 513 270 szabadalmi leírásban leírt önaktiváló mágneses áramkör, mely kizárólag csak az egyik elektródára hat, és úgy van irányítva, hogy a 11, 12 elektródák szeparálódnak a mágneses vagy elektrodinamikus áramerők hatására. Az eszköz ellenállása 2 mü. Amikor az eszköz nagy rövidzárlati áramnak van kitéve, célszerűen az áram nagyobb mint 50 A, vagy nagyobb mint 500 A, a deformálódott 10' és 10 érintkezési felületeken megnövekszik az áramsűrűség, s ezáltal az eszköz ellenállása 100 mQ-ra vagy még többre növekszik. Ez elég arra, hogy kisfeszültségű rendszerekben a 6. ábra előnyös elrendezésével, valamint a 3. ábra szerinti áramkörrel korlátozzuk a rövidzárlati áramokat, és biztosítsuk a 4. ábrán látható áram-idő diagrammot.

-12Α 7. ábra a 6. és 1c ábrákon lévő eszközhöz hasonló túláramvédő eszközt ábrázol, azzal a különbséggel, hogy az elasztomer 20 test nem homogén. A 7. ábrán látható 20 test 9 üreget tartalmaz, amely lehetővé teszi, hogy a 20 test deformációja elérje a 30 %-ot vagy ennél is nagyobb legyen a 9 üreg méretének megfelelően. Emiatt lehetséges viszonylag nagy Shore-féle keménységű, például 80 értékű anyag használata. A 20 test előnyösen úgy deformálható, hogy a konvex 9' érintkezési felület fizikai kontaktusba lépjen a 9 érintkezési felülettel.

A 8. ábra a találmány egy olyan kiviteli alakját mutatja, ahol két villamosán vezető elasztomer 10a és 10b test van egymásra helyezve, míg a 9. ábrán látható kiviteli alakban a villamosán vezető elasztomer 10a és 10b testek egymás mellett vannak elhelyezve.

A 10a és 10b ábra egy találmány szerinti eszközt mutat, ahol a 7. ábra szerinti villamosán vezető elasztomer 10 test annak hosszanti irányában húzódó 11 és 12 elektródák közé van helyezve. A 11, 12 elektródákra és az elasztomer 10 test 10' és 10 érintkezési felületeire ható nyomást a már korábban leírt rugós nyomószerkezet hozza létre.

A 11. ábra egy találmány szerint eszközt mutat, ahol egy villamosán vezető elasztomer 10 test van két 11 és 12 elektróda közé helyezve a 10a és 10b ábrák szerint. Egy ferromágneses 13 repulziós szerkezet veszi körbe a hosszanti irányban elhelyezkedő 11 és 12 elektródákat és a 10 testet, és felerősíti a 11 elektródára ható taszító hatást, amikor az eszközön túláram folyik keresztül. A 11, 12 elektródákra és az elasztomer 10 test 10' és 10 érintkezési felületeire ható nyomást a már korábban leírt rugós nyomószerkezet hozza létre.

A 12. ábra a 10a és 10b ábrákon szemléltetett eszközhöz hasonló eszközt mutat azzal a különbséggel, hogy a villamosán vezető elasztomer 10 test félhenger alakú, és villamosán vezető ragasztóval a 12 elektródához van rögzítve vagy azon szabadon fekszik.

A 13. ábra egy találmány szerinti eszközt mutat, ahol két villamosán vezető elasztomer 10a és 10b test van a 11 és 12 elektródák közé elrendezve, amely 11, 12 elektródák közé ezen kívül még elasztomer anyagú 10c és 10d testek is el vannak helyezve, amely utóbbiak körülveszik a 11, illetve 12 elektródát. A 11, 12 elektródákra és a konvex határfelülettel ellátott elasztomer 10a, 10b testekre ható nyomást a már korábban említett nyomószerkezet hozza létre.

* '«

-13A 14. ábra a találmány egy további, a 12. és 9. ábrákon szemléltetett eszközhöz hasonló kiviteli alakját mutatja, ahol a 11 és 12 elektródákat körülvevő elasztomer 10c, 16a és 10d, 16b testek villamosán vezető elasztomer 10c és 10d anyagból, illetve villamosán szigetelő elasztomer 16a és 16b anyagból állnak. A 10c, 16a és 10d, 16b testek célszerűen kétrészes öntőformában önthetők, ezáltal azok összefüggőek, a 11, 12 elektródák pedig villamosán szigeteltek lesznek. A 11, 12 elektródák villamos kapcsolódása az ábrán nincsen feltüntetve.

A 15. ábra egy, a 6. és 7. ábrák szerinti kiviteli alakhoz hasonló eszközt mutat, amelyben két villamosán szigetelő 15a és 15b polietilén test van egy villamosán vezető elasztomer 10 testtel párhuzamosan elrendezve. Amikor az eszköz nyomásnak van kitéve, amit a 11 és 12 elektródákra ható F erő szimbolizál, a 10 test deformálódik és ezáltal hozzáér a villamosán szigetelő 15a és 15b polietilén testek 15'a és 15'b határolófelületeihez. így villamos szigeteléshez jutunk, amely rövidzárlatnál megakadályozza az átütést, ugyanakkor a villamosán vezető elasztomer 10 test nem folyik szét, ami különben gyakori probléma.

A 16. ábra egy találmány szerinti eszközt mutat, amelyben a villamosán vezető elasztomer 10 testnek több deformálható konvex 10'a, 10'b, 10'c, 10'd érintkezési felülete van, vagyis az több, a korábbi ábráknak megfelelő elasztomer testből áll. Az elasztomer 10 test összefüggő és homogén.

A 17. ábra egy találmány szerinti eszközt ábrázol, ahol a villamosán vezető elasztomer 10 test bordás kivitelű konvex deformálható érintkezési felületekkel.

Az elasztomer 10 testnél több konvex felület aktiválható például azzal, hogy megnöveljük a nyomást a 14 nyomószerkezet segítségével.

A 18a és 18b ábrák egy találmány szerinti eszközt ábrázolnak, amely 11 és 12 elektródákból, valamint két villamosán vezető elasztomer 20a és 20b testből áll, melyek konvex deformálható 20'a és 20'b érintkezési felülettel rendelkeznek. A 11, 12 elektródákat a koaxális villamosán vezető elasztomer 20a és 20b testek veszik körül, melyek 20'a és 20'b érintkezési felületei fizikailag érintkeznek egymással. A 20'a és 20'b érintkezési felületek egy 14 nyomószerkezet által kifejtett nyomás hatására deformálódnak. A 11 és 12 elektróda villamos 31, illetve 32 csatlakozóval van ellátva.

A 19. ábra egy találmány szerinti eszközt ábrázol, amelyben a villamosán vezető elasztomer 10a1, 10a2, 10a3 és 10a4 testek konvex határoló felületei merőlegesen vannak elrendezve a villamosán vezető 10b1, 10b2, 10b3 és 10b4

-14testek konvex határoló felületeire. Az eszköz 11 és 12 elektródát tartalmaz, amelyek az eszközön átvezetik az áramot, és amelyekre nyomószerkezet nyomást gyakorol, s így deformálja a 10a1,...10a4 és 10b1...10b4 testek érintkezési felületeit.

A találmány nincs korlátozva a bemutatott kiviteli példákra, hanem többféle variáció is lehetséges az alábbi szabadalmi igénypontokon belül. Például a 8. ábrán látható, egymásra helyezett villamosán vezető elasztomer 10a, 10b testek száma az ábrázoltnál több is lehet.

A 20a ábra egy olyan túláramvédő eszközt ábrázol, amelyben két polimer alapú 63a és 63b termisztor van az elasztomer 10 testtel párhuzamosan kapcsolva. A túláramvédő eszköz tartalmaz egy rögzített értékű 16a, 16b ellenállást is. A 20b ábra szerinti kapcsolási rajzon az áramkörbe 17 túláramvédő eszköz van beiktatva, amely tartalmazza az elasztomer 10 testet, a 11, 12 elektródákat, a 16a, 16b ellenállásokat és a 63a, 63b termisztorokat.

A találmány szerinti eszköz 10, 63 és 16 részeinek megfelelő együttes méretezésével a polimer alapú 63 termisztor rövidzárlat közben energia elnyelőként funkcionál. Ez megakadályozza az elasztomer 10 test túlterhelését. A rögzített értékű 16 ellenállás értéke ekkor jóval nagyobb lehet, mint akkor, amikor a 63 termisztor nincs jelen. Ez a 20c ábra alapján a következő energia megfontolásból válik érthetővé.

A	mágneses	energia	értéke,	amikor	az	áram	eléri	az	i1	értéket
W1 = ¹/₂ L	i1².
A	mágneses	energia	értéke,	amikor	az	áram	eléri	az	Í2	értéket
W2= ¹/₂ L	• i2².
A	mágneses	energia	értéke,	amikor	az	áram	eléri	az	i3	értéket

W3= ¹/₂ L · i3².

Az elasztomer 10 test által a kis ellenállású állapotból nagy ellenállású állapotba történő átmenetkor elnyelt energia értéke W1_2=W1-W2. Mivel a polimer alapú 63 termisztor számára megengedhető, hogy kis ellenállású legyen a kommutációs stádiumban, a W1_2 sokkal kisebb lesz, mint a W1_3=W1-W3, ahol W1_3 az az energia, amelyet az elasztomer 10 test akkor abszorbeál, ha polimer alapú 63 termisztor nincs jelen. A 20a és 20b ábra szerinti áramkorlátozó elem könnyen illeszthető olyan áramkörökhöz, amelyek fölé- és alárendelt rövidzárlat védelmeket tartalmaznak, vagyis olyanokhoz, amelyekben könnyen elérhető a

-15«·· *· teljes szelektivitás, például kisfeszültségű elosztórendszerekben. A 20a és 20b ábrán látható kiviteli alak azt is lehetővé teszi, hogy az elasztomer 10 test vékonyabb legyen, vagyis lehetővé teszi a 11 és 12 elektródák közötti távolság csökkentését. Ezt hasznosítjuk a 21a és 21b ábrán látható kiviteli alaknál.

A 21a és 21b ábra olyan túláramvédő eszközt ábrázol, amelyben az elasztomer 10 test sokkal vékonyabb mint a 20a és 20b ábra kiviteli alakjában. Ez javítja az elasztomer 10 testből a 11, 12 elektródák felé történő hőátadást, és ugyanakkor a vékonyabb elasztomer 10 test eredményeként lecsökken az energiafejlődés. Ez azt jelenti, hogy megengedhető a túláramvédő eszköz névleges áramának növelése. A 21b ábra a túláramvédő eszköz oldalnézetét mutatja. A 12 elektróda több 12', 12, 12', 12 elektródarészre van hasítva, amelyek a 10 test 62 felületének 61 részfelületeit fedik le. Ennek eredményeként olyan túláramvédő eszköz jön létre, amely érzékenyebb rövidzárlat esetén, mivel ekkor lényegében adiabatikus körülmények uralkodnak. A túláramvédő eszköz érzékenységét javítja a 21b ábrán látható 30 áramokkal ábrázolt szelep hatás, valamint a 61 részfelületek, amelyeken az áramátfolyás lejátszódik.

A 22a és 22b ábra olyan 17 túláramvédő eszközt ábrázol, amelyben a rögzített értékű 16 ellenállást két gerjesztő tekercs vagy egy ismert ütőszeg berendezés alkotja, amely például automata biztosítókban (MCB) található. Az ütőszeg berendezés vagy a gerjesztő tekercsek a 22b ábra szerinti 40 vezetéken közvetlenül vagy 41 mechanizmuson keresztül közvetve egy 50 kontaktusrendszert működtetnek, aminek eredményeként az áramkör megszakad.

A 23a és 23b ábra a 22a ábra szerinti eszköz további változatait ábrázolja. A 22b ábra szerinti kiviteli alakhoz képest az a különbség, hogy a gerjesztő tekercsek, illetve ütőszeg berendezés hat legalább az egyik 11 vagy 12 elektródára. Ezt a 23a ábrán 45 nyíl jelzi. Ezáltal a 11, 12 elektródák rövidzárlat esetén kölcsönösen eltávolodnak egymástól. Az elasztomer 10 test emellett edződik, ami előnyösnek bizonyult például a kis ellenállású állapotba történő visszatérési időt illetően. Amint az a 23b ábrán látható, a gerjesztő tekercs 16 tekercsrésze párhuzamosan, 16' tekercsrésze pedig sorosan kapcsolható az elasztomer 10 testtel, hogy ezáltal javuljon az elasztomer 10 test érzékenysége. A 11 vagy 12 elektródára való hatást a 45' és 45 nyilak jelzik.

A 24a, 24b és 24c ábrák a polimer alapú 63a, 63b termisztor egy különösen előnyös kiviteli alakját ábrázolják a túláramvédő eszközben. A keresztmetszeti

-16• · · · . ··· ·· ··· ♦· · felület egy infinitezimális dA felületelemének ellenállása a 24c ábrán látható 18 ellenálláskarakterisztika szerint változik. Rövidzárlat bekövetkezésekor a polimer anyag az elasztomer 10 testtel szomszédos zónáiban megy először át nagy ellenállású állapotba. Ez a folyamat addig tart, amíg a 63a és 63b termisztor egésze át nem kapcsol, hacsak az áramkör előbb meg nem szakad. Ennek eredményeként finomabb áram-átkapcsoláshoz (vö. 20a, 20b és 20c ábrák) és jobb energiaelnyelő 63a, 63b termisztorhoz jutunk.

A 25a, 25b, 25c és 25d ábrák a találmány egy olyan kiviteli alakját ábrázolják, amelyben a 11 és 12 elektródák spirális elrendezése egy belső gerjesztésű eszközt valósít meg. Ebben az esetben a 11 és 12 elektródák között taszító Fr erők lépnek fel, ha a 11, 12 elektródákon rövidzárlati áram folyik keresztül. Ezek a taszító Fr erők úgy hatnak, hogy kölcsönösen szétválasztják a 11, 12 elektródákat, ami a túláramvédő eszköz nagyobb érzékenységét eredményezi. A kaszkádba kapcsolt túláramvédő eszközök válaszérzékenysége különálló 19a és 19b csatlakozóelemekkel változtatható, amint az a 25c és 25d ábrákon látható. Soros kacsolás esetén (25d ábra) a taszító Fs erő azonos áram esetén megközelítőleg négyszer nagyobb lesz, mint a párhuzamos kapcsolásnál (25c ábra) adódó Fp erő.

Claims

1. Túláramvédő eszköz villamos áramkörökhöz, amely legalább egy villamosán vezető, elasztomer anyagú testet, valamint a testen áramot átvezető két elektródát tartalmaz, amely elektródák mindegyike közvetlenül vagy közbenső rész útján megfelelő helyen érintkezik a testtel, és amely eszközben az érintkezési nyomást egy nyomószerkezet hozza létre, azzal jellemezve, hogy a test (10) elasztomer anyagot tartalmaz, a test (10) és/vagy legalább az egyik elektróda, illetve közbenső rész nyomással nem terhelt állapotban görbült, de a nyomószerkezet (14) által létrehozott nyomás hatására a megfelelő érintkezési helyeken deformálva van úgy, hogy az érintkezési felület túláram áthaladásakor csökken, amikoris a deformáció végett az elektróda, illetve közbenső rész szintén elasztomer anyagot tartalmaz, továbbá az eszköz ellenállást (63a, 63b, 16a, 16b) és/vagy kapacitást is tartalmaz, amely az elasztomer testtel (10) párhuzamosan van kapcsolva.

2. Az 1. igénypont szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy az eszközben lévő elasztomer anyagú testek Shore-féle keménysége 20-80 között van.

3. Az 1. vagy 2. igénypontok bármelyike szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy az ellenállás polimer alapú termisztor (63).

4. A 3. igénypont szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy a termisztor (63) növekvő ellenálláskarakterisztikájú (18).

5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy a nyomószerkezet (14) rugalmas kialakítású, és a nyomószerkezet (14) által létrehozott érintkezési nyomás előnyösen állítható.

6. Az 1-5. igénypontok bármelyike szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy legalább az egyik ellenállás (16) egy gerjesztő eszköz, amely legalább egy tekercset (16', 16) tartalmaz egy kontaktusrendszer (50), és/vagy legalább az egyik elektróda (11, 12) működtetésére.

7. Az 1-6. igénypontok bármelyike szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy a nyomószerkezet (14) egy rugós mechanizmus, amelynek két mechanikailag stabil egyensúlyi állapota van, be és ki, és ahol legalább az egyik elektróda (11) mechanikailag összefügg a rugós nyomószerkezettel (14) az elektródák (11, 12) galvanikus elválasztása végett.

-189 0

V 0* « *· »·(>···· *

9 9 9 · ···

8. Az 1-7. igénypontok bármelyike szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy az elektródák (11, 12) úgy vannak kialakítva, hogy rövidzárlati áramok hatására taszítsák egymást.

9. A 8. igénypont szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy hogy az elektródák (11, 12) a közöttük fellépő taszítást növelő ferromágneses szerkezettel (13) vannak ellátva.

10. Az 1-9. igénypontok bármelyike szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy az elektródák (11, 12) közül legalább az egyik több elektródarészre (12', 12, 12', 12) van osztva, amelyek közül legalább egy lefedi az elasztomer test (10) teljes felületének (62) egy részfelületét (61).

11. Az 1-10. igénypontok bármelyike szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy az elasztomer testek (20a, 20b) legalább részben körülveszik az elektródákat (11, 12).

12. Az 1-11. igénypontok bármelyike szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy az elasztomer testnek (10) a nyomószerkezet (14) által létrejövő összenyomódása legalább 5%, homogén test (10) esetén előnyösen 5-40%.

13. Az 1-12. igénypontok bármelyike szerinti eszköz, azzal jellemezve, hogy az elasztomer test (20) tartalmaz egy üreget (9).