SE465524B - Anordning foer oeverlast- och kortslutningsskydd i elektriska anlaeggningar - Google Patents

Description

465 524 av V203 material dispergerat såsom beskrivs i artikeln "V203 Composite Thermistors" av D Moffatt m fl, publicerad i Proceedings of the Sixth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics, 1986, s 673-676. En polymerbaserad termistor av ovannämnda slag har flera för- delar jämfört med en keramisk. Exempelvis är dess resistans i det aktuella temperaturområdet monotont stigande med temperaturen och resistansökningen är avsevärt större. Den är dessutom väsentligt billigare. Kommersiellt tillgängliga termistorer av denna typ är dock utförda för relativt låga märkspänningar, t ex 50-100 V, och kan därför inte utan vidare användas i distributionsnät.

I svenska patentansökningen 8803644-7 har en anordning för överströmsskydd beskrivits, i vilken en polymerbaserad termistor av ovannämnda slag ingår.

Denna anordning är så utformad, att den fungerar både som motor- och kort- slutningsskydd, och den kan användas i nät med en driftspänning av exem- pelvis 230 V, där spänningstoppar av storleksordningen 400-500 V kan upp- träda t ex vid kortslutningsbrytning. Den maximala presumtiva kortslut- ningsström som kan brytas med denna anordning är dock begränsad, liksom även möjligheten att anpassa anordningens utlösningskarakteristik till den utrustning som skall skyddas. ~ --- “ REnoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en relativt enkel och billig skyddsanordning av ovannämnda slag, som kan bryta de högsta i lågspänningsnät förekommande kortslutningsströmmarna och vars utlösnings- karakteristik lätt kan anpassas till det aktuella skyddsobjektet. Detta uppnås enligt uppfinningen genom en anordning som uppvisar de i patentkrav 1 angivna kännetecknen.

Den såsom överlastskydd fungerande första termistorn kan bestå av ett keramiskt material eller en elektriskt ledande polymerkomposit. Den såsom kortslutningsskydd fungerande andra termistorn består av en polymerkompo- sit med en extremt hög halt av elektriskt ledande fyllmedel, och den ut- föres dessutom företrädesvis skiktad.

Genom att i serie med den såsom överlastskydd (motorskydd) fungerande ter- mistorn i utlösningskretsens ena strömgren anordna ett kortslutningsskydd i form av den speciellt utförda andra termistorn uppnås bl a följande för- delar: a) b) c) ä) 46562 Avsevärt högre brytförmåga tack vare den speciella andra termistorn.

Strömbegränsande brytning av presumtiva nätkortslutningsströmmar på upp till 100 kA och eventuellt högre möjliggöres.

Inga koordinationsproblem mellan de båda termistorerna, eftersom den andra termistorn inte kan "trippa" (dvs övergå från lågresistivt till högresistivt tillstånd) inom den första termistorns arbetsområde.

Den första termistorn kan göras mycket lågohmig (genom att göras tunn), eftersom den inte utsattes för höga spänningar i "trippat" tillstånd.

Genom att man använder två seriekopplade, fysiskt skilda element för överlast- resp kortslutningsskydd uppnås ökad tillförlitlighet vid kortslutning.

Man kan använda en mycket enkel kontaktanordning som eventuellt inte behöver vara försedd med ljusbågsskärmar.

FIGURBESKRIVNING ~ Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av utföringsexempel med hänvisning till bifogade ritningar, där fig 1 visar ett kopplingsschema för en skyddsanordning enligt uppfinn- ingen, fig 2 visar ett centralt snitt genom två olika polymerbaserade termis- torer som ingår i skyddsanordningen enligt fig 1, fig 3 visar en perkolationskurva för en sådan termistor, fig 4 visar kurvor över utlösningstiden som funktion av strömmen för olika element som ingår i skyddsanordningen enligt fig 1.

I fig 5 visar en kurva över den resulterande utlösningstiden som funktion av strömmen för skyddsanordningen enligt fig 1, 465 524 fig 6 visar strömförloppet vid en kortslutningsbrytning med en skydds- anordning enligt fig 1, och I fig 7, 8 och 9 visar kopplingsscheman för ytterligare varianter av skydds- anordningen enligt uppfinningen.

BESKRIVNING Av UTFöRINGsExmæEL Den i fig 1 visade anordningen för motor- och kortslutningsskydd innehål- ler en kontaktanordning 3 och en i serie med kontaktanordningen kopplad utlösningskrets, vilken är anordnad att påverka kontaktanordningen för automatiskt öppnande av denna vid överström. Utlösningskretsen innefattar två parallellkopplade strömgrenar. Den ena strömgrenen utgöres av tre seriekopplade element, nämligen en första termistor 1, en andra termistor 2 och en fåvarvig excitationsspole 5, medan den andra strömgrenen inne- håller en mångvarvig excitationsspole 4.

Den första termistorn 1, som är av denpovannämnda polymerbaserade typen, vars resistivitet har positiv temperaturkoefficient, benämnas i det följande "PTC-termistorn" (PTC = Positive Temperature Coefficient).-I denna termistors normala arbetsområde, som kan sträcka sig upp till exem- pelvis 80 °C, är termistorns resistans låg, exempelvis 0,01 Q, och ökar svagt med temperaturen. Om termistorns temperatur överstiger nämnda värde, t ex på grund av överström, ökar resistansen snabbare, och vid över- skridande av en viss temperatur, som exempelvis kan ligga vid ca 120 OC, övergår termistorn plötsligt från ett lågresistivt till ett högresistivt tillstånd, i vilket resistansen kan uppgå till 1 kg och mera. PTC-ter- mistorn är termiskt fördröjd, vilket åstadkommits t ex genom att den ut- förts såsom beskrivits i ovannämnda svenska patentansökan 88036#4-7. Även den andra termistorn 2 är tillverkad av elektriskt ledande polymer- komposit med positiv'temperaturkoefficient. Den skiljer sig dock från den första termistorn blna genom att den har en väsentligt högre volymprocent elektriskt ledande fyllmedel. Detta framgår av fig 3 som schematiskt visar en perkolationskurva för en polymerkomposit, dvs materialets resistivitet i kallt tillstånd som funktion av volymprocenten v av elektriskt ledande fyllmedel (carbon black, grafit etc). För en konventionell polymerbaserad termistor, såsom den nämnda första termistorn 1, ligger arbetspunkten vid 465 524 den med 9 markerade punkten på kurvan, medan arbetspunkten för den nämnda andra termistorn ligger vid punkten g relativt långt från den s k perkola- tionströskeln P, dvs den punkt på perkolationskurvan där kompositens resistivitet börjar minska. Tack vare den andra termistorns låga kall- resistans blir dess förlusteffekt låg, och termistorn kan utföras för hög märkström per volymenhet. Ett annat särdrag vid den andra termistorn är att den är skiktad, dvs sammansatt av minst två delar, vilka ligger an mot varandra längs en med termistorns ändytor i huvudsak parallell gränsyta.

Delarna kan vara sammanfogade längs gränsytan och/eller pressade mot var- andra med hjälp av en tryckanordning. Den andra termistorns speciella utförande medför att den blir känslig för hög strömderivata (di/dt) och tillförd energi. Vid moderata kortslutningsströmmar, t ex mindre än 15-20 ggr märkströmmen, ligger denna termistor kvar i sitt lågresistiva tillstånd, medan däremot då strömtätheten överstiger ett visst värde. en mycket snabb övergång till det högresistiva tillståndet sker. Denna ter- mistor benämnes i det följande "CLI-elementet" (CLI = Current Limiting Interface).

~ De båda excitationsspolarna 4 och 5 ingår i en elektromagnetisk utlösare- som direkt eller indirekt via en mekanism påverkar kontaktanordningen 3 för öppnande av denna vid överström. Spolen 5 i den första strömgrenen är fåvarvig och lågohmig, och den är dimensionerad att aktivera utlösaren för strömmar större än 3-15 ggr skyddsanordningen märkström, även då PTC-ele- mentet 1 och/eller CLI-elementet 2 inte har "trippat".

Spolen 4 i den andra grenen är mångvarvig och högohmig, och den kan lämp- ligen vara lindad på samma kärna som den andra spolen 5. Spolarna är lindade och inkopplade på så sätt att deras magnetiska flöden samverkar.

Fig 2 visar ett tvärsnitt genom en PTC-termistor 1 och ett CLI-element 2 av den typ som ingår i en anordning enligt föreliggande uppfinning. PTC- temistorn 1 innehåller en centralt anordnad kropp 11 av en elektriskt ledande polymerkomposit (t ex bestående av 67 volymprocent polyeten och 33 volymprocent kimrök) i form av en rektangulär skiva samt två vid kroppens ändytor (skivans flatsidor) anordnade elektroder 12 och 13. Runt kroppens 11 periferi mellan elektroderna 12, 13 ligger en krage 14 av isolermate- rial. 465 524 Även CLI-elementet 2 innehåller en centralt anordnad skivformig kropp 21 av elektriskt ledande polymerkomposit med ändelektroder 22, 23 och isoler- krage Ä. I detta fall består dock kroppen 21 av två lika tjocka delar 21a och 21b, vilka ligger an mot varandra (eller är hopsmälta) längs en med kroppens flatsidor parallell gränsyta 21c. Kroppen 21 består av en poly- merkomposit som innehåller en väsentligt större volymprocent elektriskt ledande fyllmedel (t ex kimrök) än PTC-termistorns polymerkompositkropp 11.

PTC-termistorn 1 och CLI-elementet 2 pressas mot varandra med en i pilar- nas F riktning verkande kraft, vilken kan åstadkommas på rent mekanisk väg och/eller genom utnyttjande av med elektriska strömmar alstrade krafter.

De yttre elektroderna 13, 22 i den sammanhållna termistoranordningen 1, 2 är försedda med anslutningsorgan 15 resp 25.

Fig N visar utlösningskarakteristiken för olika element i skyddsanord- ningen enligt fig 1, medan fig 5 visar den resulterande, för skyddsanord- ningen specifika utlösningskarakteristiken, dvs utlösningstiden t som funktion av förhållandet mellan överströmmen I och skyddsanordningens märkström In.

Karakteristiken för PTC-termistorn 1 representeras av kurvan A i fig Ä, CLI-elementet 2 representeras av kurvan B och spolen 5 av kurvan C.

Spolens Ä karakteristik finns inte med i fig Ä, eftersom denna spole "drar" för strömmar mindre än In.

Genom lämpligt val och korrelation mellan PTC-termistorn 1, CLI-elementet 2 samt spolarna 4 och 5 kan man få skyddsanordningens utlösningskarakte- ristik att överensstämma med vilken som helst av de standardiserade utlös- ningskarakteristiker som föreskrives i gällande normer, t ex VDE 0641 och CEE publikation 19.

Av kurvan A i fig 4 framgår att PTC-termistorn 1 ger en termisk fördröj- ning av utlösningen,:vilket är en förutsättning för att anordningen skall kunna användas för motorskydd. Den brantaste delen av kurvan C bestäms av det strömvärde vid vilket spolen 5 "drar". varefter kretsen bryts upp av kontaktanordningen 3? Den mer eller mindre horisontella delen av kurvan C (under 0,01 s) är bestämd av mekanismen hos kontaktanordningen (mekanisk tidsfördröjning). own- 465 524 Kurvan B för CLI-elementet 2 är mycket brant för strömmar högre än ca 20 ggr märkströmmen In. Dessa strömmar begränsas därför mycket snabbt av CLI-elementet och kommuteras över till den högohmiga andra strömgrenen, där de begränsas ytterligare, varefter den mângvarviga excitationsspolen 4 påverkar mekanismen för kontaktanordningen 3, som bryter upp kretsen.

I strömintervallet mellan den branta delen av kurvan C och kurvan B för CLI-elementet bestäms bryttiden enbart av den fåvarviga excitationsspolen 5 och brytarmekanismen. Varken PTC-termistorn eller CLI-elementet aktive- ras i detta strömintervall.

I ett praktiskt utföringsexempel enligt fig 1, där kontaktanordningen 3 utgjordes av en effektbrytare med märkströmmen In = 16 A, ingick en PTC-termistor 1 och ett CLI-element 2, vardera i form av en tunn platta, med följande data: Q I PTC-termistorn CLI-elementet Tvärsnittsarea (cm2)_ 7,3 7 Tjocklek i strömriktningen (cm) 0,1 0,1 assistans (a) vid 25 °c 0,004 0,002 assistans (n) vid 125 °c > 10 < 0,01 Värmekapacitet (Ws/OC) 0,7 0,8 De båda excitationsspolarna 4 och 5 utgjordes av solenoider som var linda- de på samma kärna och anordnade på sådant sätt, att deras magnetiska flö- den samverkade. Spolen 5 var utförd med 6 varv och hade en resistans på 2 mQ, medan spolen 4 var utförd med 90 varv och hade en resistans på 300 m0. Den elektromagnetiska utlösaren som bildats av spelarna 4 och 5 med tillhörande magnetkrets var dimensionerad att aktiveras vid 540 QIIIPGPGVHPV .

Fig 6 visar strömförloppet vid en kortslutningsbrytning med en skyddsan- ordning enligt fig 1, viken genom lämpligt val av de ingående kretselemen- ten uppvisar den i fig 5 visade utlösningskarakteristiken. Vid normal drift har såväl PTC-termistorn 1 som CLI-elementet 2 låg resistans, t ex mindre än 0,02 Q sammanlagt, och hela driftströmmen flyter genom den första strömgrenen. bn en kortslutning inträffar, och nätets presumtiva kortslutningsström överstiger 20 ggr skyddsanordningens märkström, stiger 465 524 strömmen mycket snabbt, och vid tidpunkten tt, som ligger endast några delar av en millisekund efter det att kortslutningen inträffat, övergår CLI-elementet 2 från sitt lågresistiva till sitt högresistiva tillstånd.

Strömmen kommuteras därvid över till den andra strömgrenen, där den be- gränsas av impedansen i spolen 4, som har relativt hög resistans, exempel- vis 0,3_Q. Spolen 4 påverkar direkt kontakten och mekanismen för kontakt- anordningen 3 så att man får en snabb öppning av denna vid tidpunkten tk, varvid strömmen bryts. Genom att strömmen begränsats till ett relativt lågt värde på grund av impedansen i spolen 4 och dessutom är i huvudsak resistiv, är brytningen relativt lätt. Kontaktanordningen kan därför vara mycket enkel och behöver eventuellt inte förses med ljusbågsskärmar. Genom den snabba kontaktöppningen får man dessutom en snabb spänningsavlastning av termistorerna 1 och 2, som därför inte behöver vara utförda för att kontinuerligt tåla driftspänningen.

Figurerna 7 och 8 visar ytterligare varianter av en skyddsanordning enligt uppfinningen, vid vilka de i anordningen enligt fig 1 ingående elementen återfinnas.

I Anordningen enligt fig 7 skiljer sig från den i fig 1 genom att den'få- varviga spolen 5 inte ingår i den nämnda första strömgrenen, utan ligger i serie med de båda parallellkopplade grenarna.

Fig 8 visar en variant där en serieresistor 6 införts i den andra ström- grenen för att ytterligare öka resistansen i denna gren, och därmed uppnå en ännu starkare strömbegränsning. Serieresistorn kan vara en ren resis- tor, en PTC-termistor eller en varistor.

Kopplingarna enligt fig 1 och 7 kan vidare utökas med element för över- spänningsskydd, t ex i form av en varistor 7 inkopplad såsom framgår av fig 8.

I fig 9 visas ett utförande där den såsom överströmsskydd fungerande första termistorn 1 är utförd av keramiskt material, t ex V203. Tack vare CLI-elementet 2 kommer den keramiska termistorn 1 att "trippa" endast för 'moderata överströmmar, varigenom olägenheter såsom sprickbildning etc undvikes. En VZO3-baserad termistor ökar sin resistans ca 300 ggr då den "trippar”, dvs en väsentligt mindre resistansökning än vid övriga nämnda termistortyper. Termistorn 1 är därför parallellkopplad med en tredje

Claims (9)

o» 465 'S24 excitationsspole 8, vilken är relativt lågohmig för att koordination med termistorn 1 skall erhållas. Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsexemplen, utan flera modifikationer är möjliga inom ramen för patentkraven. Exempelvis behöver inte det i fig 2 visade CLI-elementets polymerkompositkropp 21 vara delad, utan kan_istäl1et utgöras av en skiva i ett enda stycke. Även vid ett sådant utförande erhålles, såsom vid en skikttermistor, en resistanskoncentration till bestämda zoner, nämligen i detta fall till gränsytorna mellan kompositkroppen 21 och de metalliska ändelektroderna 22, 23. De båda termistorerna 1 och 2 kan givetvis utgöras av två helt separata kroppar och behöver inte pressas mot varandra såsom visas i fig 2, Vid en montering enligt fig 2 kan för övrigt den ena av mittelektroderna 12, 23 utelämnas. Excitationsspolen 4 kan alternativt utgöras av två induktivt kopplade, av antiparallella strömmar genomflutna seriekopplade delspolar, såsom beskri- vits i den ovannämnda svenska patentansökningen 880036Ä4-7. Vid detta utförande är den ena delspolen fast och den andra rörlig, varvid den rörliga delspolen är anordnad att via ett påverkningsorgan åstadkomma öppning av kontaktanordningen. Den i de visade kopplingarna ingående PTC-termistorn 1 är inte absolut nödvändig utan kan utelämnas om man önskar realisera den termiska fördröj- ningen på annat sätt: t ex med ett elektroniskt överlastrelä. Detta inne- bär dock i de flesta fall en mera komplicerad lösning. PATENTKRAV

1. Anordning för överlast- och kortslutningsskydd i elektriska anlägg- ningar, vilken anordning innefattar en kontaktanordning (3) och en i serie med kontaktanordningen anordnad elektrisk utlösningskrets innefattande två parallellkopplade strömgrenar, av vilka den första grenen, innehåller ett såsom överlastskydd fungerande utlösningsorgan med termisk fördröjning, företrädesvis i form av en termistor (1), vars resistivitet har positiv temperaturkoefficient, medan den andra grenen innehåller en excitations- 10 spolí , Seg år anordnad att påverka kontaktanordningen (3) för öppnande av denna vid överström, k ä n n e t e c k n a d av att den första grenen även innehåller en i serie med den första termistorn (1) kopplad, och så- som kortslutningsskydd fungerande andra termistor (2), vilken är tillver- kad av elektriskt ledande polymerkomposit med så stor halt av elektriskt ledande fyllmedel, att termistorn övergår till sitt högresistiva tillstànd endast om kortslutningsströmmen uppgår till minst 15 ggr anordningens märkström.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den andra termistorn är tillverkad av elektriskt ledande polymerkomposit, vars ' halt av elektriskt ledande fyllmedel är väsentligt högre än den halt som svarar mot den s k perkolationströskeln.

3. Anordning enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att den nämnda andra termistorn (2) är skivformig och är sammansatt av minst två delar (21a, Zlb), vilka är sammanfogade längs en med kroppens ändytor parallell gränsyta (21c).

4. Anordning enligt patentkrav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att en för påverkan av kontaktanordningen (3) anordnad andra excita- tionsspole (5) är kopplad i serie med de båda termistorerna (1, 2) i den nämnda första grenen;

5. Anordning enligt patentkrav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att en för påverkan av kontaktanordningen (3) anordnad andra excita- tionsspole (5) är kopplad i serie med de båda parallellkopplade grenarna.

6. Anordning enligt patentkrav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att den andra excitationsspolen (5) är fåvarvig och lågohmig i förhållande till den första excitationsspolen (4).

7. Anordning enligt patentkrav 4, 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d av att de båda excitationsspolarna (4, 5) är lindade på en och samma kärna \1 på sådant sätt, att spelarnas magnetiska flöden samverkar.

8. Anordning enligt något av patentkraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d av att den första excitationsspolen (4) utgöres av två induktivt kopplade, av antiparallella strömmar genomflutna seriekopplade delspolar, av vilka m» 11 ' 4 6 5 5 24 den ena är fast och den andra rörlig, varvid den rörliga delspolen är anordnad att via ett påverkningsorgan åstadkomma öppning av kontaktan- ordningen (3) .

9. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - n a d av att den såsom överströmsskydd fungerande första termistorn (1) är av keramiskt material och är direkt parallellkopplad med en tredje excitationsspole (8), vilken är lågohmig i förhållande till den första excitationsspolen (4).