SE511234C2 - Strömbegränsare - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 511 234 endast sker i vissa kontaktpunkter uppkommer en strömför- trängning vid kontaktytan, vilken resulterar i ett spän- ningsfall i anslutning till kontaktytan. Genom skillnaden i resistivitet mellan polymerkropp och elektrod uppstår nämnda spänningsfall huvudsakligen i den kropp som har högst resis- tivitet, dvs polymerkroppen. Vid strömstyrkor upp till märk- ström upprätthålls en lág övergàngsresistans i en kontaktyta genom det kontakttryck som pàläggs av de tryckpáläggande anordningarna vilket säkerställer strömövergäng i ett till- räckligt antal kontaktpunkter. Vid kortslutningsströmmar höjs temperaturen i kontaktytan. Denna temperaturförhöjning resulterar i en lokal smältning och/eller förgasning av polymermaterialet i vissa av kontaktpunkterna varigenom resistansen höjs ytterligare. Slutligen uppstàr ett skikt av förgasad polymer/kol i anslutning till en fritt anliggande kontaktyta varvid en kraftig förhöjning av resistansen över skiktet erhälls, kontakttrycket under tripp upprätthålls av de tryckpàlág- dvs strömbegränsaren trippar. Genom att gande anordningarna sà àterbildas, i samband med att gastrycket sjunker, väsentligen ursprunglig kontakt och väsentligen ursprunglig övergàngsresistans över nämnda kontaktyta.

Den internationella patentskriften WO 96/25783 beskriver en strömbegränsare av ovan angivet slag där en av polymerkrop- pens kontaktytor är kontakterad mot en elektrod, dvs spänningsfallet i anslutning till och över kontaktytan mellan elektrod och polymerkropp har minimerats. Enligt denna skrift är polymerkroppen kontakterad genom att den är anordnad med ett làgresistivt ytskikt i anslutning till elektroden. Detta làgresistiva ytskikt har en relativt poly- merkroppens bulk förhöjd elektrisk ledningsförmàga. En kontakterad kontaktyta kan fritt anligga mot eller vara fast förbunden med en elektrod. En yta vilken är förbunden med eller fritt anligger mot en elektrod och för vilken spänningsfallet i anslutning till och över kontaktytan 10 15 20 25 30 35 511 234 mellan elektrod och polymerkropp har minimerats benämnes fortsättningsvis i denna ansökan kontakterad. Ändamålet med uppfinningen är att anvisa en strömbegränsare vilken har en enkel elektrisk och mekanisk konstruktion med fä delar, och elektroder för anslutning till en elektrisk krets. innefattande en elektriskt ledande polymerkropp Strömbegrànsaren har för sin märkström smà dimensioner och en tillförlitlig elektrisk isolation. Speciellt har risken för överslag och yttre krypströmmar mellan elektroder väsentligen eliminerats. Detta har erhállits med en strömbegrànsare som fortfarande uppvisar - läg resistans vid strömstyrkor under märkström och - en förhöjd tàlighet mot de överströmmar vilka normalt förekomer vid elektriska anläggningar, dvs strömmar med en strömstyrka vilken normalt är av storleksordningen 10 gänger Samt - förmäga att snabbt och tillförlitligt begränsa kort- slutningströmar och andra stora felströmar. Vidare kan man märkström eller mindre, med en strömbegränsare enligt uppfinningen förutsäga var trippning sker. Härigenom kan konstruktiva ätgärder anges, vilka ytterligare sänker resistansen över den elektriskt ledande kroppen, höjer tàligheten mot kortvariga och begränsade överströmmar samt förbättrar förmägan att snabbt och tillförlitligt begränsa kortslutningsströmar.

UPPFINNINGEN För en strömbegränsare innefattande elektroder och minst en elektriskt ledande polymerbaserad kropp uppnàs detta genom att minst en elektrod är inbäddad i den polymerbaserade elektriskt ledande kroppen och att en eller flera av kroppens kontaktytor fritt anligger mot minst en yttre elektrod. Den inbäddade elektroden är företrädesvis fast förbunden med polymerkroppen och fixerad i polymerkroppen 10 15 20 25 30 35 511 234 samtidigt som tryckpäläggande fjädrande anordningar sammanhàller i strömbegränsaren ingäende delar.

I en utfóringsform är flera av den elektriskt ledande poly- merkroppens yttre kontaktytor anordnade att fritt anligga mot ett flertal yttre elektroder. De yttre elektroderna är elektriskt anslutna till varandra och elektriskt skilda frán den inbäddade elektroden av den elektriskt ledande polymer- baserade kroppen.

I vissa användningar har dock en alternativ utfóringsform i vilken endast en yttre kontaktyta pá den elektriskt ledande polymerkroppen anligger fritt nbt en elektrod visat sig fordelaktig. Andra pà kroppen befintliga kontaktytor har därvid täckts med en elektriskt isolerande kropp eller en elektriskt isolerande beläggning.

De sammanhàllande och tryckutóvande organen sammanhàller i strómbegränsaren ingående delar samtidigt som de àstadkomer ett i de fritt anliggande kontaktytorna verkande kontakt- tryck vilket är väsentligen riktad i dessa ytors normalrikt- ning.

Den elektriskt ledande polymerkroppen är i en föredragen utforingsform kontakterad i anslutning till den inbäddade elektroden, dvs spänningsfallet över och i anslutning till kontaktytan har för den inbäddade elektroden minimerats. För att säkerställa god kontaktering har polymerkroppen anord- nats med lägresistiva skikt eller zoner i anslutning till denna kontaktyta. Elektrodens form kan också väljs utifràn kriteriet att säkerställa en stor effektiv kontaktyta mellan inbäddad elektrod och polymerkropp. Med effektiv kontaktyta avses i denna ansökan den faktiska yta i vilken strómóver- gäng mellan elektrod och polymerkropp sker. Vanligen förekommande former pä den inbäddade elektroden är en ett flertal elektrisk och platta, ett nät eller en väv, 10 15 20 25 30 35 511 234 mekaniskt sammanbundna nälar eller stift vilka företrädesvis är kontakterade medelst lägresistiva skikt eller zoner i anslutning till kontaktytan. En förstoring av kontaktytan för mindre strömförträngning och bättre kontaktering kan ocksá erhällas med öppna strukturer eller stort yt/volyms- stift och elektrodens ytstruktur. Dessa former som bygger pà förstorad förhållande hos elektroden sásom nàtelektroder, kontaktyta förutsätter att det polymerbaserade materialet tränger in elektrodens öppna struktur och binds till elektroden med god vidhäftning. Dessutom mäste átgärder vidtas för att undvika gas eller luftfickor liksom utskilj- ningar i eller i anslutning till kontaktytan dä uppkomsten av sàdana inhomogeniteter stör strömövergàngen eller skapar strömförträngning.

En platt strömbegränsare med inbäddad elektrod enligt uppfinningen innefattar enligt en utföringsform en platt metallelektrod av koppar, nickel eller en legering baserad pà nägon av dessa netaller. Elektroden är företrädesvis helt eller delvis är belagd med ett ytskikt av en legering, vilken har mycket god elektrisk ledningsförmága, sásom ett skikt av silver eller en silverbaserad legering, Elektroden har inbäddats i en polymerkropp genom att tvà polymer- baserade elektriskt ledande plattor, vilka är bredare och längre än elektroden, har placerats pà vardera sidan om den platta elektroden. De delar av polymerplattornas storytor vilka är i kontakt med elektroden är anordnade med ett ytskikt eller ytzoner med sänkt resistivitet, exempelvis ett skikt av den i det föregående nämnda silverlegeringen eller en polymerbaserad beläggning innefattande silver. Polymer- plattor och elektrod har sedan pressats samman under värm- ning. Vid samanpressningen har polymerplattornas kanter svetsats samman sä att elektroden har inbäddats i och väsentligen omslutits av den bildade platta polymerkroppen samtidigt som polymerkroppen har kontakterats mot elektro- den. Den inbäddade elektroden kan anslutas med en isolerad 10 15 20 25 30 35 511 234 ledare eller genom att en del av den inbäddade elektroden lämnas öppen och oisolerad för anslutning. Elektroder har sedan anordnats att fritt anligga mot den erhällna platta polymerkroppens storytor. Alternativt kan en platt strombegränsare med inbäddad metallelektrod vara tillverkad genom att en elektriskt ledande polymerkomposition är extru- derad kring ett metallband. Det erhällna bandet innefattar ett metalliskt band omgivet av tvä polymerskikt och har sedan kapats i lämpliga längder till platta polymerkroppar.

Vid kapningen frilagd metall i kapytorna har sedan belagts sä att elektroderna har omslutits väsentligen fullständigt.

Den inbäddade elektroden kan anslutas med en isolerad ledare eller genom att en del av den inbäddade elektroden lämnas Öppen och oisolerad for anslutning. Slutligen har kroppens storytor anordnats att anligga fritt mot yttre elektroder. I vissa utforingsform anligger endast den ena storytan fritt mot en elektrod medan den andra storytan isoleras elektriskt.

Fóreträdesvis är som beskrivits i det fóregäende den inbäd- dade elektroden metallisk men i alternativa utföringsformer är den polymerbaserad med en relativt PTC-elementet sänkt resistivitet. Föredragna metalliska elektroder är silver, koppar, nickel eller legeringar baserade pá nagon av dessa metaller. Koppar eller nickelbaserade elektroder är ofta belagda med en làgresistiv kemiskt resistent silverlegering.

En polymerbaserad elektrod innefattar en ledande polymer eller en elektriskt ledande polymerkomposition, en elekt- riskt ledande plast, baserad pá en polymer sàsom en termo- plast, en elastomer eller en härdplast till vilken ett elektriskt ledande pulverformigt material har tillsatts. Som pulvertillsats väljs företrädesvis ett metalliskt pulverma- terial baserat pà en metall med god elektrisk lednings- fórmàga säsom silver, guld, koppar, nickel eller aluminium.

Andra tänkbara pulvermaterial är sot, kimrók och andra grafitbaserade material, keramiska pulver baserade pà 10 15 20 25 30 35 511 234 exempelvis borider såsom titandiborid, zirkoniumdiborid, karbider såsom tantalkarbid, kiselkarbid, wolframkarbid, zirkoniumkarbid, nitrider såsom zirkoniumnitrid, titannitrid oxider såsom vanadiumtrioxid, titanoxid eller blandningar av två eller flera av dessa pulver. Avgörande för valet av pulvermaterial är dess elektriska ledningsförmåga samt dess förmåga att under de förhållanden som råder i elektroden vid användning och tillverkning av den strömbegränsande anord- ningen motstå oxidation eller andra reaktioner. Den polymerbaserade elektroden har en relativt den polymer- baserade kroppen sänkt resistivitet.

I ytterligare en alternativ utföringsform av uppfinningen har den polymerbaserade elektriskt ledande kroppen och den det föregående stycket beskrivna polymerbaserade elektroden är polymerbaserade elektroden samextruderats. Liksom den i den samextruderade polymerbaserade elektroden företrädesvis kemiskt bundet till den polynærbaserade elektriskt ledande kroppens och har en relativt den elektriskt ledande polymer- baserade kroppen sänkt resistivitet. Vid extrusionen har de två elektriskt ledande polymerkompositionerna samextruderats till ett skiktat band, varvid den polymerkomposition som har lägst resistivitet är omgiven av den polymerkomposition som har högre resistivitet Efter extrusionen har det extruderade bandet kapats i lämpliga längder. Vid kapningen frilagd elektrod i kapytorna har sedan belagts så att elektroderna har omslutits väsentligen fullständigt. Den inbäddade elektroden kan anslutas med en isolerad ledare eller genom att en del av den inbäddade elektroden lämnas öppen och oisolerad för anslutning. Slutligen har kroppens storytor anordnats att anligga fritt mot yttre elektroder. I vissa utföringsform anligger endast den ena storytan fritt mot en elektrod medan den andra storytan isoleras elektriskt. I en alternativ utföringsform har en elektriskt ledande polymer- kropp med polymerbaserad elektrod formats genom samtidig formsprutning av två elektriskt ledande polymerbaserade 10 15 20 25 30 35 511 234 material. Det material som har den lägsta resistiviteten har anordnats som inbäddad elektrod omsluten av det andra polymermaterialet vilket har en högre resistivitet. Den erhållna polymerkroppen med inbäddad elektrod är sedan anordnad att fritt anligga mot minst en yttre elektrod.

En strömbegränsare enligt de i det föregående beskrivna utföringsfornerna av uppfinningen är enkel, kompakt och har en tillförlitlig elektrisk isolation samtidigt som den fortfarande uppvisar en hög tålighet mot överströmar vilka är av storleksordningen 10 gånger nominell ström eller mindre och en snabb och mycket tillförlitlig strömbegräns- ning vid kortslutningsströmmar. Dessutom ger en anordning enligt uppfinningen möjlighet att förutsäga var trippning sker. Härigenom kan konstruktiva åtgärder vidtagas, för att ytterligare sänka resistansen över den elektriskt ledande kroppen, höja tåligheten mot kortvariga och begränsade överströmmar samt förbättra förmågan att snabbt och tillförlitligt begränsa kortslutningsströmmar. Exempel på sådana åtgärder är att anordna yttre elektroderna med medel för att uppta värme som generas i den polymerbaserade elektriskt ledande kroppen i anslutning till dessa och/eller medel för att avge den värme som upptas av elektroderna.

Exempelvis är elektroderna anordnade som värmeupptagande och eller värmeavgivande kroppar såsom kylkroppar av aluminium med eller utan kylflänsar. Alternativt är elektroderna anordnade i termisk kontakt med sådana kylkroppar.

FIGURER Uppfinningen ska i det följande förklaras mer ingående och exemplifieras utifrån en föredragen utföringsform under hänvisning till bifogade figurer la, lb och lc. Där figur la visar en vy av strömbegränsaren, figur lb ett snitt A-A genom strömbegränsaren och figur lc ett snitt B-B genom samma strömbegränsare. 10 15 20 25 30 35 511 234 FIGURBESKRIVNING Den i figurerna la, lb och lc visade utfóringsformen av uppfinningen innefattar en polymerbaserad elektriskt ledande kropp i form av en platta lO med en i kroppen inbäddad elektrod l3 och yttre elektroder ll,l2 mot vilka plattans tvà storytor l00', och beskrivs en utföringsform med tva elektroder men lO0" fritt anligger. I figurerna visas naturligtvis kan en av elektroderna ersättas med en elektriskt isolerande skiva eller en elektriskt isolerande beläggning alternativt ytterligare elektroder anordnas.

Elektroderna 11,12 är i den visade utföringsformen platta kroppar. Med en platt kropp eller en platta avses i denna patentansókan en kropp vars tjocklek är väsentligt mindre än dess längd och bredd. sammanhàlls i utforingsformen enligt figurerna av ett eller I strömbegränsaren ingäende plattor flera elastiskt eftergivliga element 14, 15 vilka griper över strómbegränsarens platta kropp 10 och elektroder ll, 12,13 och sammanháller dem genom att anbringa en fjädrande anspänningskraft att verka i storytorna l0O',lOO" väsentligen vinkelrätt mot de platta kropparnas plan.

Den polymerbaserade plattan 10 är företrädesvis en elektriskt ledande plast baserad pá en polymer sàsom en termoplast, en elastomer eller en härdplast till vilken ett elektriskt ledande pulverformigt material har tillsätts.

Som pulvertillsats väljs företrädesvis kol, kimrók eller annat kolbaserat elektriskt ledande pulver. I alternativa utföringsformer har ett metalliskt pulvermaterial baserat pà en metall med god elektrisk ledningsfórmàga sàsom silver, guld, koppar, nickel eller aluminium använts liksom även keramiska pulver baserade pà exempelvis borider sàsom titandiborid, zirkoniumdiborid, karbider sàsom tantalkarbid, kiselkarbid, wolframkarbid, zirkoniumnitrid, titannitrid oxider sàsom vanadiumtrioxid, zirkoniumkarbid, nitrider sàsom titanoxid eller blandningar av tvà eller flera av dessa 10 15 20 25 30 35 10 511 234 pulver. Avgörande för valet av pulvermaterial är dess elektriska ledningsförmäga samt dess förmäga att under de förhållanden som räder i strömbegränsaren vid användning och tillverkning motstà oxidation eller andra reaktioner.

Den inbäddade elektroden 13 visas i figurerna som en platta, vilken är centralt anordnad i den polymerbaserade elektriskt ledande plattans 10 bulk och orienterad i ett med de yttre elektroderna ll,l2 och polymerplattans 10 storytor 100', l00" väsentligen parallellt plan. Den inbäddade elektroden 13 är företrädesvis en metallisk platta, exempelvis en silver-, koppar- eller nickelplatta. För att förbättra kon- takteringen är i manga utföringsformer den polymerbaserade kroppen anordnad med lägresistiva och kemiskt resistenta skikt eller zoner i anslutning till den inbäddade elekt- roden. Även om den i figurerna visade inbäddade elektroden 13 är en platta kan formen vara godtycklig med en uttalad strävan att med utformningen höja den effektiva kontaktytan mellan den inbäddade elektroden l3 och polymerkroppen 10.

Elektrodformer med vilka stor kontaktyta uppnäs är nät, vävar, samanbundna nälar eller stift, perforerade plattor, plattor med nodulär ytstruktur. Viktigt är också att åtgär- der vidtas sä att inga luft eller gasfickor kvarstàr i gränsytan mellan inbäddad elektrod och polymerbulk, 13/10.

Likaså mäste utskiljningar i eller i anslutning till denna gränsyta undvikas. Gasfickor, gasfylda porer liksom utskilj- ningar minskar den effektiva kontaktytan och höjer därmed övergängsresistansen. Alternativt till metalliska elektroder kan plattor, vävar etc av grafit eller andra elektriskt ledande oorganiska material användas liksom även elektriskt ledande polymerbaserade material med en resistivitet lägre än den polymerbaserade kroppen 10. Polymerbaserade elektro- der kan innefatta elektriskt ledande polymerer med intrin- sisk elektrisk ledningsförmäga eller elektriskt ledande plaster vilka erhällit sin elektriska ledningsförmäga genom elektriskt ledande partikulära fyllmedel.

Claims (18)

10 15 20 30 35 n 511 234 PATENTKRAV

1. En strömbegränsare innefattande elektroder (ll,l2,l3) och minst en elektriskt ledande polymerbaserad kropp (10) med yttre kontaktytor (l0O',lO0") kännetecknad av att en elektrod (13) är inbäddad i den polymerbaserade kroppen (10) och att den polymerbaserade kroppen är anordnad att med sina (lO0',lOO") (ll,l2). yttre kontaktytor fritt anligga mot en eller flera elektroder

2. En strömbegränsare enligt patentkrav l kännetecknad av att den polymerbaserade kroppen fritt anligger mot endast en yttre elektrod (ll,l2).

3. En strömbegränsare enligt patentkrav 1 kännetecknad av att den polymerbaserade kroppen fritt anligger mot ett flertal yttre elektroder (ll,l2).

4. En strömbegränsare enligt patentkrav 3, kännetecknad av att de yttre elektroderna (ll,l2) till varandra och elektriskt skilda fràn den inbäddade elektroden (13) av den elektriskt ledande polymerbaserade är elektriskt anslutna kroppen (10).

5. En strömbegränsare enligt nàgot av patentkrav l, 2, 3 eller 4, kännetecknad av tryckpáläggande fjädrande anord- ningar (l4,l5) anordnade att sammanhàlla polymerkroppen (10) och elektroderna (ll,l2,l3).

6. En strömbegränsare enligt något av patentkrav l till 5, kânnetecknad av att den inbäddade elektroden (13) är fast förbunden med och fixerad i polymerkroppen (10).

7. En strömbegränsare enligt nagot av patentkrav l till 6, kânnetecknad av att polymerkroppen (10) är kontakterad med den inbäddade elektroden (13). 10 15 20 30 35 511 234 12

8. En platt strömbegränsare enligt nàgot av föregående patentkrav kännetecknad av att en elektrod (13) är inbäddad i en polymerbaserade platta (10) och att polymerbaserade plattan (10) är anordnad att med sina tvà storytor (100',lOO") anligga fritt mot minst en platt elektrod (1l,12)

9. En platt strömbegränsare enligt nàgot av föregående patentkrav kännetecknad av att den polymerbaserade plattan (10) är anordnad att med en av sina tvà storytor (lOO',l0O") anligga fritt mot en platt elektrod (ll,l2) medan den andra storytan är belagd med en elektriskt isolerande beläggning eller elektriskt isolerande skiva.

10. En platt strömbegränsare enligt nàgot av patentkrav 1-8 kännetecknad av att den polymerbaserade plattan (10) är (100',lOO'Ü fritt mot ett flertal platta elektroder (11,12). anordnad att med sina tvä storytor anligga

11. En strömbegränsare enligt nàgot av föregående patentkrav, kännetecknad av att den inbäddade elektroden (13) är av metall.

12. En platt strömbegränsare enligt patentkrav 11 kännetecknad av den innefattar; - en elektriskt ledande polymerbaserade och platt kropp (10), - en platt metallelektrod (13) inbäddad i den platta polymerkroppen (10) vilken är bredare och längre än elektro- den för att omsluta elektroden, - lägresistiva skikt anordnade pà polymerkroppen i anslutning till den inbäddade elektroden, - yttre elektroder mot vilka polymerkroppens storytor (l0O',100") anligger fritt. 10 15 20 25 30 13 511 234

13. En strömbegränsare enligt patentkrav 12, kännetecknad av att elektroden (13) är inbäddad i polymeren (10) genom att polymer är formad kring ett metallband genom extrusion, att det erhàllna bandet innefattande ett i polymeren inbäddat metalliskt band är kapat i lämpliga längder till platta polymerkroppar, att vid kapning frilagd elektrod är väsentligen omsluten av polymer, varefter de erhállna platta polymerkropparnas storytor (100'.100") är anordnade att fritt anligga mot elektroder (ll,l2).

14. En strömbegränsare enligt nágot av patentkrav 1 till 10, kännetecknad av att den inbäddade elektroden (13) är polymerbaserad.

15. En strömbegränsare enligt patentkrav 14 kännetecknad av att den elektriskt ledande polymerkroppen (10) innefattar tvà elektriskt ledande polymerkompositioner av olika resistivitet, varvid den polymerkomposition som har lägst resistivitet är placerad i centrum som inbäddad elektrod (10) omgiven av den polymerkomposition som har högst resistivitet och att den platta skiktade polymerkroppens (100',lOO") (ll,l2). storytor är anordnade att fritt anligga mot elektroder

16. En strömbegränsare enligt patentkrav 15, kännetecknad av att en elektriskt ledande skiktad kropp innefattande tvà polymerkompositioner av olika resistivitet är framställd genom formsprutning till en polymerkropp varvid den polymerkomposition som har lägst resistivitet är anordnad att utgöra inbäddad elektrod väsentligen omsluten av den andra polymerkompositionen och att kroppens yttre kontaktytor anligger fritt mot minst en elektrod. 10 15 14 511 234

17. En strömbegränsare enligt patentkrav 15, kännetecknad av att en elektriskt ledande kropp innefattande tvá polymer- kompositioner av olika resistivitet är framställd genom samextrusion till ett skiktat polymerband, varvid den polymerkompositione som har lägst resistivitet är anordnad att utgöra inbäddad elektrod omsluten av den andra polymer- kompositionen, att det extruderade skiktade bandet är kapat i lämpliga längder till platta polymerkroppar, att vid kapning frilagd elektrod är väsentligen omsluten av polymer, varvid de erhållna platta polymerkropparnas storytor (lOO'.lOO") är anordnade att fritt anligga mot elektroder (ll,l2).

18. En strömbegränsare enligt något av patentkrav l till 10, kännetecknad av att den inbäddade elektroden (13) är av grafit.