SE469250B - Anordning foer oeverlast- och kortslutningsskydd i elektriska anlaeggningar - Google Patents

Description

469 250 ligare fall då termistorn utsättes för mycket stora elektriska påkänningar, såsom kortslutningsströmmar, uppträder blåsbildning och sprickbildning i centrala eller andra delar av termistorns polymerkomposition, så att den inte längre kan fungera, dvs termistorn blir förstörd.

I de kända polymerbaserade termistorerna har man eftersträvat att förankra elektroderna så effektivt som möjligt vid kroppen av polymerkomposition för att åstadkomma bästa möjliga elektriska kontakt och därmed minimera över- gångsresistansen. För att uppnå den goda förankringen av elektroderna ut- formas de normalt med en ojämn ytstruktur på den mot kroppen av polymer- komposition vända sidan så att polymerkompositionen vid termistorns fram- ställning kan smälta och tränga in i håligheter i elektrodytan. Elektroder- na består vanligen av metallfolier och anbringas genom att pressas på kroppen i värme.

REDOGÖRELSE 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 som inte har de ovannämnda nackdelar som tidigare kända skyddsanordningar med termistorer varit behäftade med. Detta uppnås enligt uppfinningen genom en anordning som uppvisar de i patentkrav 1 angivna kännetecknen.

Vid skyddsanordningen enligt föreliggande uppfinning ingår en polymer- baserad termistor, som, till skillnad från hittills kända termistorer av detta slag, efter övergång från lägresistivt eller högresistivt tillstånd återgår till initialresistansen, och som är återanvändbar även sedan den utsatts för kortslutningsströmmar. Vidare ändrar termistorn sin resistans vid en lägre energiutveckling, dvs dess strömbegränsningsegenskaper för- bättras.

Enligt uppfinningen uppnås detta resultat genom att åtminstone en elektrisk kontakt mellan en elektrod och en kropp av elektriskt ledande polymerkompo- sition eller mellan två kroppar av elektriskt ledande polymerkomposition i termistorn åstadkommes genom att elektroden fritt anligger mot den nämnda kroppen respektive att de nämnda kropparna fritt anligger mot varandra under det att en tryckanordning ombesörjer att ett vinkelrätt mot ifråga- varande kontaktyta riktat tryck upprätthålles. 469 250 Det tryck som upprätthålles på elektroderna vinkelrätt mot de parallella ytorna på kroppen respektive kropparna av polymerkomposition uppgår före- trädesvis till minst 0,1 Ma. Speciellt föredrages ett tryck av 0,1 MPa- -l0 MPa.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av utföringsexempel med hänvisning till bifogade ritningar, där fig 1 visar ett kopplingsschema för en skyddsanordning enligt uppfinningen, fig 2 visar en kurva över resistansen som funktion av temperaturen för en termistor som ingår i skyddsanordningen enligt fig 1, fig 3 och Ä visar i tvärsnitt två olika termistorer bestående av två elektroder och en respektive två kroppar av elektriskt ledande polymerkomposition mellan elektroderna, fig 5 och 6 visar i tvärsnitt två olika utföringsformer av en med tryck- anordning försedd termistor av den typ som ingår i skyddsanordningen enligt fig 1, fig 7 visar strömförloppet vid en kortslutningsbrytning med en skyddsanord- ning enligt fig 1, fig Sa, 8b och 8c visar i perspektiv olika delar av en i skyddsanordningen enligt fig 1 ingående strömbegränsningsanordning i isärtaget till- stånd, fig 9 visar i perspektiv en del av samma anordning i ett vertikalt snitt, och fig 10 och 11 visar kopplingsscheman för ytterligare varianter av den strömbegränsningsanordning som ingår i skyddsanordningen enligt upp- finningen. 469 250 f BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Den i fig 1 visade anordningen för överströms- och kortslutningsskydd inne- fattar en effektbrytare och en i serie med brytaren anordnad strömbegräns- ningsanordning. Effektbrytaren kan exempelvis utgöras av en s k automat- säkring, även kallad MCB (Miniature Circuit Breaker) eller dvärgbrytare, med en märkström av t ex 63 A. Brytaren innefattar en kontaktanordning 1, en bimetallutlösare 2 anordnad att påverka kontaktanordningen för öppnande av denna vid moderata överströmmar samt en momentanutlösare 3 i form av en slagankarmagnet (s k "kicker") för direkt påverkan av kontaktanordningen vid kortslutningsström. Strömbegränsningsanordningen innefattar en termis- tor 4 med positiv temperaturkoefficient (PTC-element) parallellkopplad med en impedans 5, som i den visade utföringsformen utgöres av ett linjärt motstånd med en resistans av t ex 100 m9.

Termistorn 4 är av den ovannämnda polymerbaserade typen. Fig 2 visar resistansen R för en sådan termistor som funktion av temperaturen T. I termistorns normala arbetsområde, som kan sträcka sig upp till exempelvis 80 OC, är resistansen låg, exempelvis 3 m9, och ökar svagt med temperatu- ren. Om termistorns temperatur stiger över nämnda värde, t ex på grund av överström, ökar resistansen snabbare, och vid överskridande av en viss temperatur Tt, nedan kallad omslagstemperaturen, som exempelvis kan ligga vid ca 120 OC, övergår termistorn plötsligt från ett lâgresistivt till ett högresistivt tillstånd, i vilket resistansen uppgår till exempelvis 150 mfi. ' Termistorn enligt fig 3 innehåller en centralt anordnad kropp 10 av en elektriskt ledande polymerkomposition med positiv temperaturkoefficient, t ex bestående av 67 volymprocent polyeten och 33 volymprocent kimrök, i form av en rektangulär 1 mm tjock skiva samt två vid kroppens parallella ändytor 10' och 10" (skivans flatsidor) anordnade elektroder 11 och 12 med tillhörande anslutningar 13 resp 14. Elektroden 11 består av 0,5 mm tjock platta av nickel med jämn ytstruktur på båda sidor. På utsidan är plattan överdragen med ett tunt skikt av koppar. Den bildar kontakt med kroppen 10 enbart genom att anligga mot kroppen, dvs den är inte fixerad vid kroppen.

Elektroden 12 består av en 0,3 mm tjock kopparfolie vilken på den mot kroppen 10 vända sidan är belagd med ett genom plasmasprutning applicerat, 0,1 mm tjockt skikt av koppar med ojämn ytstruktur. Elektroden 12 är fäst vid polymeren genom att den pressats mot kroppen 10, sedan denna värmts upp 469 250 så att polymermaterialet i flytande tillstånd kan tränga in i ojämnheter i den inåtvända sidan på elektroden.

I anordningen enligt fig U ingår två kroppar, l0a och 10b, av samma elekt- riskt ledande polymerkomposition som den i kroppen 10 i fig 3, i form av 1 mm tjocka rektangulära skivor med de parallella ytorna l0a' och l0a" resp 10b' och 10b". Dessa skivor bildar elektrisk kontakt enbart genom anligg- ning, dvs utan att vara hopsmälta eller på annat sätt fixerade Vid varand- ra. Elektroderna 11 och 12 kan vara av samma slag som elektroderna ll och 12 i fig 3. Elektroden 11 kan emellertid också vara av samma slag som elektroden 12 och såsom denna elektrod vara fixerad vid kroppen 10a. I anordningen enligt fig Ä kan kropparna 10a och 10b vara av olika elektriskt ledande polymerkomposition och ha olika resistivitet för att modifiera termistorns egenskaper. Anordningen kan också modifieras, så att den inne- håller mer än två kroppar (10a och lOb) av ledande polymerkomposition med samma eller olika resistivitet. Om elektroderna är fixerade till närbelägna kroppar av elektriskt ledande polymerkomposition måste åtminstone en av kropparna därvid anligga fritt mot en annan av kropparna. Om den ena eller båda av elektroderna anligger fritt mot en närbelägen kropp av elektriskt ledande polymerkomposition kan alla polymerkropparna vara fixerade till varandra, t ex genom hopsmältning.

I fig 5 illustreras en anordning enligt uppfinningen, där en termistor enligt fig 3 är anordnad i en tryckanordning omfattande två plattor 15, 16, som är parallella med kroppens 10 parallella ändytor (skivans 10 flatsidor) och med elektroderna 11 och 12. Anslutningarna 13 och lü är inte utritade i figuren. Plattorna är av elektriskt isolermaterial, t ex glasfiberarmerad plast. Trycket mot elektroderna och mot kroppens 10 ändytor åstadkommas genom åtdragning av ett antal bultar 17. Mellan bultarnas skallar 17a och en av tryckanordningens plattor 16, är styva fjädrar l7b anordnade, som inte är helt hoppressade då termistorn trycksättes och iordningställes för normal funktion. Vid kortslutning kan fjädrarna därför sammanpressas ytterligare, vilket medger att elektroden 11 kan separera från kroppen 10.

Anordningen enligt fig 6 skiljer sig från anordningen enligt fig 5 genom att fjädrarna 17b inte ingår och att en 1 mm tjock matta 30 av gummi an- ordnats mellan elektroden 11 och plattan 15. Eventuellt kan en sådan matta av gummi också vara anordnad mellan elektroden 12 och plattan 16. 469 250 I stället för termistorn enligt fig 3 kan en termistor enligt fig 4 på analogt sätt vara anordnad i anordningarna enligt fig 5 och 6.

Fig 7 visar strömförloppet vid en kortslutningsbrytning med en skydds- anordning enligt fig 1 vid en nätspänning på 500 V och en nätkortslutnings- ström på 30 kA. Vid normal drift har termistorn 4 (fig 1) en låg resistans, t ex 3 mg, och hela driftströmmen flyter genom denna. Om en kortslutning inträffar, stiger strömmen mycket snabbt, och redan efter ca 1 ms från det att kortslutningen inträffade (fig 7) "trippar" termistorn (dvs övergår från lågresistivt till högresistivt tillstånd). Därvid sker en mycket snabb begränsning av strömmen, vilken till huvudsaklig del kommuteras över till parallellmotståndet 5, som har en resistans av ca 100 mQ. På så sätt upp- nås en avlastning av termistorn för såväl ström som spänning, varigenom nedbrytning av polymermaterialet i termistorn undvikes. Efter ytterligare ett par millisekunder öppnas kontaktanordningen 1 genom påverkan av slag- ankarmagneten 3, varvid strömmen bryts efter ca 5 ms från kortslutnings- ögonblicket. Genom att strömmen begränsats till ett relativt lågt värde på grund av strömbegränsningsanordningen 4, 5 och dessutom är i huvudsak resistiv, är brytningen relativt lätt. Genom kontaktöppningen får man en snabb spänningsavlastning av termistorn 4, som därför inte behöver vara utförd för att kontinuerligt tåla driftspänningen.

En tänkbar förklaring till det med skyddsanordningen enligt uppfinningen uppnådda resultatet kan vara följande. När termistorn genomflytes av kort- slutningsström koncentreras uppvärmningen av polymerkompositionen i initialskedet huvudsakligen till anliggningsytorna mellan de element i termistorn som anligger mot varandra, eftersom resistansen är högre i över- gången mellan elementen än i själva polymerkompositionen. Detta leder till gasbildning i materialytan med åtföljande tryckuppbyggnad mellan elementen, vilka dessutom påverkas av elektrodynamiska repulsionskrafter. Detta leder till en separation av elementen och därmed till att antalet kontaktpunkter mellan elektrod och ledande partiklar i däremot anliggande kropp av poly- merkompositionen eller mellan ledande partiklar i mot varandra anliggande kroppar av polymerkompositionen minskar. Detta leder till en ström- koncentration i kvarvarande kontaktpunkter, vilket gör att smälta faser uppträder i polymerkompositionen vid anliggningsytan och termistorn "trippar" vid anliggningsytan utan att polymerkompositionen i övrigt ut- sättes för någon påkänning med åtföljande ogynnsamma effekter. Genom att hoppressningstrycket på termistorn ligger kvar, då anliggningsytorna ännu 469 250 _ efter kortslutningen är varma, kan ursprunglig kontakt och ursprunglig övergångsresistans återbildas mellan de mot varandra anliggande elementen.

Anordningen enligt fig 8a, b, c och 9 omfattar tre likadana termistorer varav en är visad med delarna separerade i fig 8b. Kroppen 10 av elektriskt ledande polymerkomposition, t ex av samma slag som i fig 3, är anordnad i en plastram 40, som går runt om kroppen. De båda elektroderna 11 och 12 består av 1 mm tjocka försilvrade plattor av koppar, som bildar kontakt med kroppen 10 enbart genom att anligga mot den, dvs de är inte fixerade vid kroppen. Varje elektrod är försedd med alternativa ledaranslutningar 13a och 14a för kabelanslutning resp 13b (ej synlig) och 14b för anslutning till en skena. Utanför elektroden 11 är anordnad en kilformad, lös platta 41 och utanför elektroden 12 en lös fjäderplatta 42 av tunn plåt. Fjäder- plattan är försedd med ett flertal ur plattan utskurna och utböjda tungor 42a som ger plattan dess fjädrande egenskaper. Elektrodplattan 12 uppbär parallellmotståndet 5. Ett paket omfattande plattorna 41 och 42 och där- emellan anordnade elektroder 11 och 12 samt med mellanliggande kropp 10 av ledande polymerkomposition anordnas i vart och ett av tre fack 43a, 43b och 43c i ett apparathus 43 med två mellanväggar 43d och 43e som bildar facken.

Mellanväggarna är parallella med två motstående parallella väggar 43f och 43g i apparathuset. Apparathuset är försett med urtagningar 44a och 44b för alternativ anslutning av en ledare till fästena 14a eller 14b i facket 43a, med urtagningar 45a och 45b för alternativ anslutning av en ledare till fästena 14a eller 14b i facket 43b, och med urtagningar 46a och 46b för alternativ anslutning av en ledare till fästena 14a eller 14b på en elektrod 12 i facket 43c. Pâ den motsatta, icke synliga väggen av apparat- huset finns motsvarande urtagningar för anslutning av ledare till fästen 13a och 13b på varje elektrod 11. Trycket mellan elektroderna 11 och 12 och kroppen 10 i vart och ett av paketen i facken 43a, 43b och 43c åstadkommas genom att ett lock 47 med vid detta fixerade kilformade plattor 48, 49 och 50 appliceras på apparathuset, varvid en kilformad platta skjutes in i vart och ett av facken 43a, 43b och 43c intill en där befintlig platta 41.

Locket är anordnat med mekaniska fästen 47a, 47b, 47c och 47d för montage.

Såsom framgår av fig 9 är apparathuset försett med planparallella förstärk- ningsväggar 51 och 52 på de tryckupptagande sidorna. Anordningen enligt fig 8a, b, c och 9 är avsedd att inkopplas i en trefasledning med en termistor inkopplad i var och en av de tre fasledarna. Apparathuset 43 med mellan- väggar 43f och 43g, förstärkningsväggar 51 och 52, lock 47 och kilformade plattor 41, 48, 49 och 50 är alla tillverkade av ett elektriskt isoler- material, t ex polyamid, försett med ett fyllmedel, t ex i form av korta glasfibrer.

Claims (12)

4 Ü Å lill' Termistšíš: ¿2:âlastningsimpedans behöver inte nödvändigtvis utgöras av ett linjärt motstånd 5, utan flera andra varianter är möjliga. I fig 10 visas en andra utföringsform där termistorn 4 är parallellkopplad med ett spän- ningsberoende motstånd 6, företrädesvis i form av en Zn0-varistor. Fig 11 visar en tredje utföringsform där termistorn 4 är parallellkopplad med en andra termistor 7 med högre utgångsresistans, t ex 10-50 mg, samt med ett avlastningsmotstånd 5, som kan vara linjärt eller spänningsberoende. Av- lastningsimpedansen kan även utgöras av en termistor med negativ tempera- turkoefficient (NTC-element). Vid skyddsanordningar för högre märkströmmar förses åtminstone termistorns 4 elektroder 11, 12 med kylanordningar, t ex i form av kylflänsar, som då anordnas termiskt kopplade men elektriskt isolerade från elektroderna. PATENTKRAV

1. Anordning för överlast- och kortslutningsskydd i elektriska anlägg- ningar, vilken anordning innefattar en effektbrytare (1, 2, 3) och en i serie med effektbrytaren anordnad strömbegränsningsanordning (4, 5) inne- fattande minst två parallellkopplade strömgrenar, av vilka den ena grenen innehåller en termistor (Ä), vars resistivitet har positiv temperatur- koefficient, medan den andra grenen innehåller en impedans (5) för ström- och spänningsavlastning av termistorn (4), varvid termistorn (Ä) innefattar en med två parallella ytor (10', 10", 10a', 10a") försedd kropp (10, 10a) av en elektriskt ledande polymerkomposition med positiv temperatur- koefficient, i vilken de parallella ytorna (10', 10") på kroppen (10) av polymerkomposition eller en av de parallella ytorna (10a') på kroppen (10a) av polymerkomposition och en av de parallella ytorna (10b') på en annan i termistorn eller på en av flera andra i termistorn ingående geometriskt parallellt med nämnda kropp anordnad kropp (10b) av samma eller annan elektriskt ledande polymerkomposition med positiv temperaturkoefficient är anordnade i elektrisk kontakt med i termistorn ingående elektroder (11, 12) för ledande av ström genom kroppen resp kropparna av polymerkomposition, if” k ä n n e t e c k n a d av att kroppen (10) av polymerkomposition, om endast en sådan kropp ingår i termistorn, med åtminstone en av sina parallella ytor (10') är anordnad att fritt anligga mot en av elektroderna (11), resp minst en av kropparna (10a) av polymerkomposition, om mer än en sådan ingår i termistorn, med åtminstone en av sina parallella ytor (10 a', 10a") anordnad att fritt anligga mot en av elektroderna (11) eller mot den 469 250 andra kroppen resp en av de andra kropparna (10b) av polymerkomposition samt att en tryckanordning är anordnad att på elektroderna utöva ett vin- kelrätt mot de parallella ytorna på kroppen resp kropparna av polymerkom- position riktat tryck.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att trycket på elektroderna (11, 12) uppgår till minst 0,1 Ma.

3. Anordning enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att trycket på elektroderna (11, 12) uppgår till 0,1 MPa-10 MPa.

4. Anordning enligt något av patentkraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d av att tryckanordningen är försedd med tryckutövande anordningar (15, 16, 17, 17a, 17b) med förmåga att fjädra.

5. Anordning enligt något av patentkraven 1-Ä, k ä n n e t e c k n a d av att tryckanordningen innefattar två mot termistorns elektroder (11, 12) tryckutövande delar (15, 16) samt att en fjäder eller ett skikt av elastiskt material (30), t ex gummi, är anordnat mellan en av elektroderna och en av de tryckutövande delarna.

6. Anordning enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att avlastningsimpedansen (5) utgöres av ett motstånd.

7. Anordning enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att avlastningsimpedansen (5) utgöres av en metalloxidvaristor.

8. Anordning enligt något av patentkraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att avlastningsimpedansen (5) utgöres av en termistor med negativ temperaturkoefficient (NTC-element).

9. Anordning enligt något av patentkraven 1-8, k ä n n egt e c k n a d av att strömbegränsningsanordningen innefattar en med de båda nämnda strömgrenarna parallellkopplad tredje strömgren, vilken innehåller en termistor (7) av liknande slag som termistorn (4) i den första strömgrenen, men med högre kallresistans.

10. Anordning enligt något av patentkraven 1-9, k ä n n e t e c k n a d av att tryckanordningen omfattar en omkring kroppen (10) resp kropparna 10 469 250 (10a, 10b) av elektriskt ledande polymerkomposition anordnad stomme (43) och i stommen införbara kilformade element (#1, Ä8, 49, 50).

11. ll. Anordning enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d av att stommen (43) har formen av en låda och att åtminstone ett (H1) av de kil- formade elementen är anordnat i lådan och åtminstone ett (H8) av de kil- formade elementen är förankrat i ett lock (47) till lådan.

12. Anordning enligt något av patentkraven 1-ll, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone den i nämnda första strömgren anordnade termistorns (4) elektroder (11, 12) är termiskt kopplade till en kylanordning, t ex i form av kylflänsar.