SE515262C2 - Anordning för strömbegränsning och skydd mot kortslutningsströmmar i en elektrisk anläggning - Google Patents

Description

20 25 30 35 515 262 säkerställer strömövergång i ett tillräckligt antal kontakt- punkter. Vid kortslutningsströmmar höjes temperaturen i kontaktpunkterna. Denna temperaturförhöjning resulterar i en lokal smältning och/eller förgasning av polymermaterialet i vissa av dessa punkter varigenom resistansen höjes. Slutli- gen uppstår ett skikt av förgasad polymer/kol i anslutning till en fritt anliggande kontaktyta varvid en kraftig för- höjning av resistansen över skiktet erhålles, dvs strömbeg- ränsningsanordningen trippar. Genom att kontakttrycket upp- rätthålles av de tryckpåläggande anordningarna så återbil- das, i samband med att gastrycket sjunker, väsentligen ursprunglig kontakt och väsentligen ursprunglig övergångs- resistans över nämnda kontaktyta. Ett problem är att nämnda förgasning normalt har uppstått vid polymerkroppens båda kontaktytor innan strömbegränsningsanordningen trippar.

Därför är det svårt att med konstruktiva förändringar såsom kylande elektroder etc. höja strömbegränsningsanordningens förmåga att under en begränsad tid tåla Överströmmar, dvs strömmar med en strömstyrka vilken ej överstiger 10 gånger märkström, samtidigt som förmågan att snabbt begränsa kortslutningsströmmar upprätthàlles. Överströmmar av storleksordningen 10 gånger den nominella strömmen är vanligt förekommande, exempelvis vid start av elektriska maskiner.

För att vid normal strömgenomgång upprätthålla en låg över- gångsresistans samt för att säkerställa att väsentligen ursprunglig kontakt och ursprunglig övergångsresistans åter- bildas efter att strömbegränsningsanordningen trippat till följd av en kortslutningsström är det önskvärt att ett stort kontakttryck verkar på kontaktytan då ett högt kontakttryck ger ett stort antal kontaktpunkter och därmed en stor effek- tiv kontakyta och liten strömförträngning. Dock försämras samtidigt den strömbegränsande funktionen hos anordningen genom att den begränsade strömförträngningen resulterar i en låg energiutveckling i skiktet. Härigenom måste med ökande kontakttryck en större energimängd tillföras polymerkroppen innan strömbegränsningsanordningen trippar. Detta medför att n-~..«- n-un-fl 10 15 20 25 30 35 - vø- 515 262 í=r' ett förhöjt kontakttryck förlänger tiden till tripp vid kortslutningsströmmar, vilket ej kan toleras.

Genom den Europeiska Patentskriften EP-A3-454 422 är ett PTC-element känt, vilket innefattar en polymerbaserad elekt- riskt ledande kropp, vars båda kontaktytor utgöres av en polymerkomposition innefattande ett elektriskt ledande metallpulver, företrädesvis ett nickelpulver. Genom tillsat- sen av nickelpulver erhålles ett PTC-element med integrerade elektroder. För ett PTC-element enligt EP-A3-454 422 med låg övergángsresistans i båda sina kontaktytorna och därmed en liten strömförträngning vid kontaktytorna kommer hela det polymerbaserade elementet att uppvärmas homogent vid förhöjd strömgenomgàng. Härigenom förlängs tiden till tripp vid kortslutningsströmmar på samma sätt som ovan beskrivits för ett PTC-element med högt kontakttryck i kontaktytorna. Genom att energiutvecklingen i PTC-elementet blir jämnt fördelad över hela PTC-elementets bulk måste en stor energimängd tillföras PTC-elementet innan det trippar. Detta medför att den lokala smältning och/eller förgasning av polymermate- rialet, som uppkommer vid kortslutningsströmmar och kraftigt höjer resistansen och leder till att strömbegränsnings- anordningen trippar ej blir koncentrerad till ett skikt utan uppkommer vid punkter, s.k. hot-spots, fördelade över PTC- elements hela bulk. Härigenom finns det ingen möjlighet att med ett PTC-element enligt EP-A3-454 422 förutsäga var i den elektriskt ledande kroppen som förgasningen sker. Den låga övergångsresistansen och låga effektförlusten vid normal strömövergång för ett PTC-element enligt EP-A3-454 422 erhålles således till priset av en lång tid till tripp vid kortslutningsströmmar då en stor energimängd måste tillföras PTC-elementet innan det trippar. Ändamålet med uppfinningen är att anvisa en anordning för strömbegränsning, innefattande en elektriskt ledande kropp vilken uppvisar låg resistans vid strömstyrkor under märk- ström och en förhöjd tålighet mot de överströmmar vilka normalt förekommer vid elektriska anläggningar, dvs stömmar med en strömstyrka vilken maximalt uppgår till 10 gånger -u-...w aven-n- 10 15 20 25 30 35 515 262 ovan n., u. --.- märkström, samtidigt som förmågan att snabbt och tillförlit- ligt begränsa kortslutningströmmar och andra stora felström- mar är bibehållen eller förbättrad. Vidare är ett syfte med en strömbegränsningsanordning enligt uppfinningen att man ska kunna förutsäga att trippning sker i ett skikt i anslutning till en av den elektriskt ledande kroppens två kontaktytor och vid vilken av dessa två kontaktytor som trippning sker. Härigenom kan konstruktiva åtgärder anvisas, genom vilka resistansen över den elektriskt ledande kroppen kan sänkas, tåligheten mot kortvariga och begränsade överströmmar höjas samt förmågan att snabbt och tillförlitligt begränsa kortslutningsströmmar förbättras.

UPPFINNINGEN En anordning för strömbegränsning och skydd mot kortslut- ningsströmmar enligt uppfinningen innefattar minst en poly- merbaserad elektriskt ledande kropp med två kontaktytor och minst två elektroder. Enligt uppfinningen innefattar den polymerbaserade elektriskt ledande kroppen ett i anslutning till en första av kroppens båda kontaktytor anordnat ytskikt med en förhöjd elektrisk ledningsförmåga, en sänkt resisti- vitet, samtidigt som åtminstone nämnda kropps andra kontakt- yta är anordnad att fritt anligga mot en elektrod eller annan elektriskt ledande kropp. Nämnda första kontaktyta, vilken innefattar nämnda med sänkt resistivitet anordnade skikt kan antingen vara anordnad att anligga fritt mot en elektrod eller vara fast förbunden, fixerad, till en elekt- rod. Företrädesvis är sammanhållande och tryckutövande organ anordnade att sammanhålla den polymerbaserade elektriskt ledande kroppen och elektroderna och åstadkomma ett, på en fritt anliggande kontaktyta verkande, kontakttryck, Pk.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är det med sänkt resistivitet anordnade ytskiktet baserat på en polymer såsom en termoplast, en elastomer eller en härdplast till vilken ett elektriskt ledande pulverformigt material har tillsatts.

Företrädesvis väljes en polymer medelst vilken en god vidhäftning i första hand en kemisk bindning mellan ytskikt nur-qu- 10 15 20 25 30 35 515 262 och polymerkropp erhålles. Som pulvertillsats väljes företrädesvis ett metalliskt pulvermaterial baserat på en metall med god elektrisk ledningsförmåga såsom silver, guld, koppar, nickel eller aluminium. Andra tänkbara pulvermate- rial är keramiska pulver baserade på exempelvis borider såsom titandiborid, zirkoniumdiborid, karbider såsom tantal- karbid, kiselkarbid, wolframkarbid, zirkoniumkarbid, nitri~ der såsom zirkoniumnitrid, titannitrid oxider såsom vana- diumtrioxid, 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 detta beläggningsskikt vid användning och tillverkning av den strömbegränsande anord- ningen motstå oxidation eller andra reaktioner. Nämnda polymerbaserade ytskikt, vilket har relativt den polymer- abserade kroppens bulk sänkt resistivitet, är enligt en utföringsform av uppfinningen anordnat i form av en på den elektriskt ledande polymerkroppen pålagd polymerbaserad beläggning. Beläggningen har en relativt den elektriskt ledande polymerbaserade kroppen sänkt resistivitet och är företrädesvis kemiskt bunden till den polymerbaserade elektriskt ledande kroppen.

I en annan utföringsform av uppfinningen innefattar den polymerbaserade elektriskt ledande kroppen ett polymer- baserat ytskikt, vilket har en relativt den elektriskt ledande polymerbaserade kroppen sänkt resistivitet, och vilket har framställts genom att nämnda polymerbaserade kropp och nämnda polymerbaserade ytskikt har samextruderats.

Liksom det föregående stycket nämnda polymerbaserade belägg- ningen är det samextruderade polymerbaserade ytskiktet företrädesvis kemiskt bundet till den polymerbaserade elektriskt ledande kroppens bulk.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är den po- lymerbaserade elektriskt ledande kroppen anordnad i form av en polymerbaserad termistor med positiv temperaturkoeffi- cient. Termistorn är i en första av sina två kontaktytor anordnad med ett ytskikt enligt någon av i det föregående 10 15 20 25 30 35 515 262 beskrivna utföringsformerna, vilket har en relativt termis- torn förhöjd elektrisk ledningsförmàga, samtidigt som åtmins- tone termistorns andra kontaktyta fritt anligger mot en elektrod eller annan elektriskt ledande kropp. Skiktet inne- fattar såsom i det föregående beskrivits ett material med god elektrisk ledningsförmàga och kan som i det föregående beskrivits vara anordnat som ett med termistorn samextruderat ytskikt eller som en på termistorn pàlagd ytbeläggning.

FIGURER Uppfinningen ska i det följande förklaras mer ingående och exemplifieras med en föredragen utföringsform under hänvis- ning till bifogade figurer.

Figur 1 och 2 visar en strömbegränsande anordning vilken innefattar två elektroder och en respektive två elektriskt ledande kroppar, med ytskikt enligt uppfinningen, anordnade mellan dessa.

Figur 3 visar en utföringsform där elektroder har anordnats mellan två parallellkopplade elektriska kropppar.

Figur 4 visar en strömbegränsande anordning innefattande två elektroder och en mellan elektroderna anordnad elektriskt ledande kropp och med organ för att sammanhålla kroppen och elektroderna samt åstadkomma ett, på en fritt anliggande kontaktyta verkande, kontakttryck, Pk.

Figur 5 visar en elektrisk krets innefattande en strömbe- gränsande anordning enligt uppfinningen.

Figur 6 visar resistiviteten hos ett PTC-element som funktion av temperaturen.

FIGURBESKRIVNING En strömbegränsande anordning enligt figur 1 innefattar en polymerbaserad elektriskt ledande kropp 10, i figuren illustrerad i form av en platta eller skiva, och två i anslutning till kroppen 10 anordnade elektroder 11,12 med tillhörande anslutningar 13,14. Den ledande kroppen 10 är anordnad med ett ytskikt 105 i anslutning till en av sina båda kontaktytor 101 viket har en relativt kroppens bulk now-uu» 10 15 20 25 30 35 515 262 ål: i u~fin .non-_ sänkt resistivitet. Kroppens 10 andra kontaktyta 102 anligger fritt mot elektroden 12. Kontaktytan 101 som innefattar skiktet 105 med sänkt resistivitet kan antingen vara anordnad att anligga fritt mot elektroden 11 eller vara fixerad till nämnda elektrod ll.

Polymerkompositionen i bulken av den elektriskt ledande kroppen är av känt slag och dess sammansättning eller be- ståndsdelar utgör ingen del av den föreliggande uppfinngen.

Således är uppfinningen tilllämpbar för strömbegränsande anordningar vilka innefattar elektriskt ledande polymerbase- rade kroppar i form av kända polymerkompositioner såsom termoplaster, elaster, härdplaster eller blandningar av dessa såsom exempelvis de polymerbaserade kroppar vilka ingår i de PTC-element som beskrivs i den europeiska patent- skriften EP 0 487 920.

Ej heller är den geometriska utformningen av kroppens 10 kontaktyor av betydelse för uppfinningen utan uppfinningen är tillämbar så länge åtminstone en av kroppens 10 två kontaktytor 101 kan anordnas med sänkt resistivitet sam- tidigt som en elektrod kan anbringas att fritt anligga mot den andra av kroppens 10 två kontaktytor 102, dvs den kontaktyta som ej är anordnad med ett skikt 105 med sänkt resistivitet. Kroppens 10 kontaktytor 101,102 vilka kan vara plana, krökta i en eller två dimensioner eller utformade pà något annat sätt. Likaså är uppfinningen tillämpbar vare sig den polymera kroppen 10 och eller skiktet med sänkt resisti- vitet 105 är baserad på en hård polymer eller en mer elastiskt formbar polymer såsom en elastomer.

I en utföringsform av uppfinningen utgörs den elektriskt ledande kroppen av en platta 10 baserad på en polyolefin såsom polyeten, tvärbunden polyeten, polypropen, polybuten, sampolymerer av eten och propen, etc. med tillsats av ett eller flera elektriskt ledande pulverformiga kolbaserade material såsom kimrök. Partikelstorleken hos det elektriskt ledande pulverformiga materialet är vanligen 0.01-100 pm och pulvret har tillsats polymerkompositionen till en volymandel v«e-»-- 10 15 20 25 30 35 51.5 :az n; (b av 10-60 procent. I utförandeformer där fler än en elektrisk ledande kropp ingår i den strömbegränsande anordningen kan dessa vara av samma eller olika polymerkompositioner och således då med samma eller olika resisivitet. Polymermate- rialet har i lågresistivt tillstånd en resistivitet av 1 mQcm - 10 Qom medan de två elektroderna 11, 12 vilka lämpligen är anordnade i form av silverbelagda kopparplat- tor.

Resistansen över en elektriskt ledande polymerplatta, Rtot, är sammansatt av en resistans i plattans 10 bulk, Rbulk, och övergàngsresistanser i anslutning till kontaktytorna 101, 102, Ryl och RY2, dvs Rt0t=Ry1+Rbu1k+Ry2. Övergángsresistan- sen i en kontaktyta 101,102 där en elektriskt ledande kropp 10 fritt anligger mot en elektrod 11,12 är beroende av att strömövergángen i kontaktytan endast sker i vissa kontakt- punkter. Detta minskar den effektiva kontaktytan och ger upphov till en strömförträngning i kontaktytan 101,102. Övergångsresistansen i en sådan kontaktyta påverkas med det tryck som de sammanhållande 15,16 och tryckutövande organen 17,17a,17b som visas i figur 4 åstadkommer i kontaktytan 101,102. Samtidigt som övergångsresistansen i kontaktytan sänks till följd av att antalet kontaktpunkter ökar med ett ökande kontakttryck försämras dock den strömbegränsande funktionen hos anordningen då mer energi måste tillföras innan den elektriskt ledande polymerkroppen har värmts till en temperatur där strömbegränsningsanordningen trippar.

Enligt den föreliggande uppfinningen är istället den elekt- riskt ledande polymerkroppen 10 i anslutning till en första kontaktyta 101 anordnad med ett skikt 105 med en förhöjd elektrisk ledningsförmàga, sänkt resistivitet samtidigt som åtminstone den elektriskt ledande polymerkroppens andra kontaktyta 102 fritt anligger mot en elektrod 12.

Den strömbegränsande anordningen i figur 2 innefattar en polymerbaserad elektriskt ledande kropp 20 med ett ytskikt 205 med sänkt resistivitet enligt uppfinningen och ytterli- gare en elektriskt ledande kropp 21. Kroppen 20 är anordnad mellan en elektrod 23, med tillhörande anslutning 25, mot 10 15 20 25 30 35 'I nå» 'Lrl lhâ -zr- 1:9 vilken den i kontaktytan 210 fritt anligger och nämnda andra kropp 21. Den första kroppen 20 är enligt uppfinningen anordnad med ett ytskikt 205 med sänkt resistivitet anordnat i anslutning till den kontaktyta 202 vilken gränsar mot den andra elektriskt ledande kroppen 21. De båda kropparna 20, 21 kan fritt anligga mot varandra i kontaktytan 202/212 eller vara fixerade till varandra exempelvis genom hopsmält- ning. En andra elektrod 22, med tillhörande anslutning 24, är anordnad i anslutning till den andra kroppen 21. Denna andra elektrod 22 kan vara anordnad att fritt anligga mot kroppens 21 kontaktyta 211 eller vara fixerad till denna kontaktyta 211. Den andra elektriskt ledande kroppen 21 kan vara av samma elektriskt ledande polymerkomposition eller en annan polymerkomposition med en annan resistivitet och/eller anordnad att begränsa strömmen vid en annan energitillför- sel. Likaså kan den andra elektriskt ledande kroppen 21 vara av avvikande funktion. Anordningen enligt principen i figur 2 kan ytterligare modifieras genom att ett flertal elektriskt ledande kroppar 20,21 av samma eller olika typ anordnas i serie mellan de tvà elektroderna 22,23.

Den strömbegränsande anordningen i figur 3 innefattar en tredje mellanliggande elektrod 34 med tillhörande anslutning 38 anordnad mellan tvà polymerbaserade elektriskt ledande kroppar 30,31 och två yttre elektroder 32,33 med tillhörande anslutningar 36,37. Kropparna 30,31 anligger åtminstone i sina inre kontaktytor 302, 311, fritt mot den mellanliggande elektroden 34 samtidigt som de båda kropparna 30,31 innefat- tar var sitt ytskikt 305,315 med sänkt resistivitet vilka är anordnade i anslutning till de kontaktytor 301 respektive 312 som är anordnade i anslutning till de yttre elektroderna 32 respektive 33. Naturligtvis kan även kropparna 30,31 vara anordnade med de med sänkt resistivitet anordnade ytskikten 305,315 i anslutning till den mellanliggande elektroden 34 om de yttre elektroderna 32,33 är anordnade att fritt anlig- ga mot kontaktytorna 301,3l2 eller så kan den ena polymer- kroppen 30 vara anordnad med sitt làgresisiva ytskikt 305 mot en yttre elektrod 32 samtidigt som dess andra kontaktyta 302 anligger fritt mot den mellanliggande elektroden 34 vann-w u.-..-« 10 15 20 25 30 35 515 262 m: 10 medan den andra kroppen 31 är anordnad på motsatt vis, dvs med det làgresisiva skiktet 315 mot den mellanliggande elektroden 34 och den andra kontaktytan 312 fritt anliggande mot en yttre elektrod 33. De kontaktytor pà kropparna 30,31 som är anordnade med ett ytskikt 305,3l5 med sänkt resisti- vitet kan vara anordnade att fritt anligga mot den elektrod som är anordnad i anslutning till nämnda yta eller vara fixerad till nämnda elektrod utan att uppfinningen påverkas så länge respektive kropps 30,31 andra kontaktyta anligger fritt mot sin elektrod.

I figur 5 visas en elektrisk krets där en strömbegränsande anordning enligt uppfinningen har parallellkopplats med en annan elektriskt ledande kropp 58, i figur 5 visad i form av en resistor. Den parallellkopplade kroppen 58 kan vara en linjär eller olinjär resistor, ett PTC-element eller en elektriskt ledande kropp vilken uppvisar en resistivitet med negativ temperaturkoefficient, ett NTC-element, en varistor eller en annan elektriskt ledande funktionell kropp såsom en spole. Kroppen 58 har företrädesvis en resistans vilken vid strömmar under märkström är 5 och 1000 högre än resistansen över den elektriskt ledande kroppen 50 mellan elektroderna 51, 52. ledande kroppen 50 och elektroderna 51,52 sammanhållna av I den strömbegränsande anordningen är den elektriskt sammanhàllande och tryckpàläggande organ 57a,57b,57c,57d.

Den strömbegränsande kroppen är som tidigare beskrivet anordnad med ett skikt 505 med sänkt resistivitet i anslut- ning till den ena elektroden 51. Elektroden 51 kan anligga fritt mot kroppen 50 eller vara fixerad. Däremot måste den andra elektroden 52 vara anordnad att anligga fritt mot kroppen 50. Genom att ström kan passera genom den parallell~ kopplade kroppen 58 vid kortslutningsströmmar sänks energi- utvecklingen i den strömbegränsande anordningen vid tripp.

I vissa sammanhang kan det vara fördelaktigt att anordna ett antal kroppar 50 enligt uppfinningen i parallell för att erhålla en form av kaskadeffekt beträffande strömbegräns- ningen. Det vill säga i ett antal parallellkopplade ström- banor anordnas en kropp enligt uppfinningen i vardera ström- banan. Kropparna är sammankopplade pà ett sådant sätt att -|..-..k 10 flfl ma T hå 43\ ND ll kallresistansen ökar i steg uppgående till mellan 5 och 1000 gånger vid övergång till nästa strömbana.

Figur 6 visar resistiviteten psom funktion av temperaturen T för en elektriskt ledande polymerkomposition ingående i ett polymerbaserat PTC-element. Vid temperaturen Tt, omslags- temperaturen eller tripptemperaturen, övergår polymerkom- positionen från ett lågresistivt tillstånd med en resisti- vitet i intervallet lmQcm-lOQcm till ett högresistivt tillstànd med en resietivitet io till ioooooouxioß) gånger högre än kallresistansen. nen-_»

Claims (8)

1. 0 15 20 25 30 35 515 262 :g 12 PATENTKRAV l. En strömbegränsande anordning innefattande minst en poly- merbaserad elektriskt ledande kropp (lO,20,30,31,50) med två kontaktytor och minst två elektroder (ll,l2,22,23,32,33,34, 51,52), kännetecknad av att nämnda polymerbaserade elekt- riskt ledande kropp i anslutning till en första av sina båda kontaktytor är anordnad med ett ytskikt (lO5,205,305,3l5, 505), att ytskiktet har en relativt nämnda polymerkropps bulk sänkt resistivitet, och att en elektrod eller annan elektriskt ledande kropp (21) är anordnad att fritt anligga mot åtminstone nämnda kropps andra kontaktyta.

2. Strömbegränsande anordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av att sammanhållande organ och tryckutövande organ (l5,16,l7,l7a,l7b) är anordnade att sammanhålla åtminstone nämnda elektriskt ledande polymerbaserad kropp (lO,20,30,3l,50) och två elektroder samt att åstadkomma ett, på en fritt anliggande kontaktyta verkande, kontakttryck.

3. Anordning enligt patentkrav 1 eller patentkrav 2, kännetecknad av att nämnda vid den polymerbaserade kroppens första kontaktyta anordnade ytskikt (lO5,205,305,3l5,505) är kemiskt bundet till nämnda elektriskt ledande polymerbaserade kropp (lO,20,30,3l,50).

4. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda vid kroppens första kontaktyta anordnade ytskikt (l05,205,305,3l5,505) innefattar ett elektriskt ledande pulver såsom ett metalliskt pulver baserat på någon av följande metaller silver, guld, koppar, nickel eller aluminium.

5. Anordning enligt ett eller flera av föregående patent- krav, kännetecknad av att nämnda vid den polymerbaserade kroppens första kontaktyta anordnade ytskikt (lO5,205,305, 3l5,505) är anordnat i form av en på den elektriskt ledande polymerkroppen pålagd polymerbaserad beläggning. 10 15 515 262 =-.= 13

6. Anordning enligt ett eller flera av föregående patent- krav, kännetecknad av att nämnda vid den polymerbaserade kroppens första kontaktyta anordnade ytskikt (lO5,205,305, 315,505) är anordnat i form av ett tillsammans med den elektriskt ledande polymerkroppen (lO,20,30,3l,50) samextruderat polymerbaserat skikt.

7. Anordning enligt ett eller flera av föregående patent- krav, kännetecknad av att den elektrod som är anordnad i anslutning till nämnda med sänkt resistivitet anordnade ytskikt (lO5,205,305,3l5,505) är fast förbunden till poly- merkroppen.

8. Anordning enligt ett eller flera av föregàende patent- krav, kännetecknad av att nämnda elektriskt ledande poly- merbaserade kropp (l0,20,30,3l,50) är annordnat i form av en termistor vilken uppvisar en resistivitet med en positiv temperatur koefficient. :nos-