Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Widerstandselement nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines derartigen Widerstandselemente in einem Strombegrenzer.
Ein Widerstandselement der eingangs genannten Art ist aus EP 0 363 746 A1 und aus dem in ABB Technik 4/92 (1992), S.35-38 veröffentlichten Aufsatz von T. Hansson "Polyäthylen-Stromwächter für den Kurzschlußschutz" bekannt. Dieses Widerstandselement besteht aus einer dünnen Kunststoffplatte aus füllstoffhaltigem Polyäthylen, welche zwischen zwei vergleichsweise dicken Elektroden angeordnet ist. Bei Raumtemperatur weist dieses Widerstandselement einen sehr geringen Widerstand auf und kann dann problemlos den in einem Niederspannungs-Verteilnetz fließenden Nennstrom führen. Das Widerstandselement kann ohne weiteres über mehrere Sekunden auch einen um das Mehrfache erhöhten Nennstrom führen, da die vergleichsweise dicken Elektroden die im Widerstandselement erzeugte Stromwärme vorübergehend aufnehmen können. Beim Auftreten eines Kurzschlußstromes hingegen steigt die Temperatur des Widerstandselements in einer sehr dünnen Oberflächenschicht an den vorzugsweise aus versilbertem Kupfer bestehenden Elektroden sehr rasch an und schmilzt das in dieser Schicht befindliche Polyäthylen. Hierdurch erhöht sich der Widerstand des Widerstandselements sprunghaft und erreicht in weniger als einer Millisekunde das ca. 30-fache seines Anfangswerts. Der Kurzschlußstrom wird dadurch stark verringert und kann nun mit einem in Serie zum Widerstandselement geschalteten Leistungsschalter von geringem Kurzschlußschaltvermögen abgeschaltet werden.
Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Widerstandselement der eingangs genannten Art zu schaffen, welches Kurzschlußströme dauerhaft begrenzen kann. Aufgabe der Erfindung ist zugleich auch die Verwendung dieses Widerstandselements in einem Strombegrenzer für Nennspannungen von mindestens 500 V.
Das elektrische Widerstandselement nach der Erfindung kann aus kommerziell erhältlichen Komponenten, wie einer Polymermatrix und geeigneten Füllstoffen in einfacher und kostengünstiger Weise hergestellt werden. Es weist im niederohmigen Zustand einen geringeren spezifischen Widerstand auf als das Widerstandselement nach dem Stand der Technik auf und kann daher bei gleichen geometrischen Abmessungen größere Nennströme führen. Zudem kann ein solches Widerstandselement Kurzschlußströme auch ohne zusätzliche Schutzbeschaltung, wie etwa mit dem Widerstandselement in Serie geschaltete Schaltgeräte, abschalten.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen auch gleichwirkende Teile. Ein in den Figuren 1 bis 3 dargestelltes Widerstandselement 10 enthält einen zwischen zwei plattenförmigen, massiven, kupferhaltigen Elektroden 1, 2 angeordneten Widerstandskörper 3 mit PTC-Verhalten. Unterhalb einer Übergangstemperatur Tc weist dieses Widerstandselement 10 einen geringen spezifischen Kaltwiderstand auf und bildet nach Einbau in einen Strombegrenzer einen zwischen den beiden Elektroden 1, 2 verlaufenden und im Normalfall Nennstrom führenden Pfad. Oberhalb der Übergangstemperatur Tc ändert das Widerstandselement 10 sprunghaft seine elektrische Leitfähigkeit und weist dann einen verglichen mit seinem spezifischen Kaltwiderstand großen spezifischen Heißwiderstand auf.
Der Widerstandskörper 3 ist gebildet von einer vorzugsweise ein Duro- oder Thermoplast oder ein Elastomer enthaltenden Polymermatrix. In diese typischerweise aus Polyäthylen bestehende Matrix sind zwei von elektrisch leitenden Teilchen gebildete Füllstoffkomponenten eingebettet.
Eine erste dieser Füllstoffkomponenten ist ein Material, welches - wie insbesondere Kohlenstoff - beim Widerstandselement 10 zu der vom Stand der Technik her bekannten sprunghaften Widerstandsänderung aufgrund einer sich beim Auftreten eines Kurzschlußstromes bildenden Oberflächenschicht führt.
Eine zweite dieser Füllstoffkomponenten ist so ausgewählt, daß ein Polymermatrix, zweite Füllstoffkomponente sowie gegebenenfalls auch erste Füllstoffkomponente enthaltender Verbundwerkstoff PTC-Verhalten aufweist mit einem gegenüber der Oberflächenschicht um mindestens eine Größenordnung höheren Sprungverhalten des Widerstandes. Zugleich besitzt der vorgenannte Verbundwerkstoff einen um mindestens eine Größenordnung geringeren spezifischen Widerstand als ein von der Polymermatrix und der ersten Füllstoffkomponente gebildeter Vergleichverbundwerkstoff bei gleicher Menge an Füllstoff. Die zweite Füllstoffkomponente kann ein Metall, wie Ag, Au, Ni, Pd und/oder Pt, und/oder ein Borid, Silizid, Oxid und/oder Carbid, wie etwa SiC, TiC, TiB2, MoSi2, WSi2, RuO2 oder V2O3, jeweils in undotierter oder dotierter Form, sein. Der Füllstoffanteil ist hoch gewählt und kann beispielsweise zwischen 30 und 50 Volumenprozent betragen.
Die Größe der Teilchen der erste Füllstoffkomponente beträgt typischerweise bis zu 1µm, diejenige der zweiten Füllstoffkomponente typischerweise zwischen 1 und 100µm. Dadurch, dass die mittlere Größe von Teilchen der ersten Füllstoffkomponente um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die mittlere Größe von Teilchen der zweiten Füllstoffkomponente, sind die Teilchen der ersten Füllstoffkomponente in Lücken zwischen den Teilchen der zweiten Füllstoffkomponente angeordnet. Die zweite Füllstoffkomponente kann so bei Betriebstemperatur zahlreiche, für eine hohe Nennstromtragfähigkeit notwendige, perkolierende Strompfade ausbilden. Zugleich befindet sich aber auch in den oberflächennahen Bereichen des Widerstandskörpers eine zur Bildung der strombegrenzenden Oberflächenschicht ausreichend Menge an erster Füllstoffkomponente.
Zur Herstellung eines Widerstandselementes 10 nach der Erfindung werden mit einem Schermischer oder mit einem Extruder die erste und die zweite Füllstoffkomponente, mit Vorteil Ruß und Titandiborid (TiB2), in ein Polymer, wie insbesondere Polyäthylen, eingemischt. Dieses Komposit wird bei Thermoplasten durch Heißpressen und bei Epoxiden durch Gießen und anschliessendes Aushärten bei erhöhter Temperatur zum plattenförmigen Widerstandskörper 3 geformt. Die plan ausgebildeten Elektroden 1, 2 werden mittels Federdruck ständig gegen die Stirnflächen des Widerstandskörpers gepreßt.
Im Normalbetrieb bilden die im Widerstandskörper 3 des Widerstandselementes 10 vorgesehenen zweiten Füllstoffe durch den Widerstandskörper 3 hindurchgehende niederohmige Strompfade mit einem um Größenordnungen geringeren spezifischen Widerstand als ein mit vergleichbarer Menge, aber ausschließlich mit erster Füllstoffkomponente, gefülltes Widerstandselement nach dem Stand der Technik. Gegenüber einem vergleichbar dimensionierten Widerstandselement nach dem Stand der Technik weist ein solches Widerstandselement 10 daher eine wesentlich erhöhte Nennstromtragfähigkeit aus.
Beim Auftreten eines Kurzschlußstromes bildet sich aus dem auf den Elektroden 1, 2 aufliegenden Polyäthylen und dem Ruß innerhalb einer Millisekunde die zuvor erwähnte dünne Oberflächenschicht aus. Diese Schicht verringert den Kurzschlußstrom bereits ganz erheblich. Durch den noch fließenden Kurzschlußstrom erwärmt sich der verbleibende Teil des Widerstandskörpers 3. Sobald die Temperatur des verbleibenden Teils des Widerstandskörpers 3 die Übergangstemperatur Tc überschreitet, erhöht sich der Widerstand des Widerstandskörpers sprunghaft um mehrere Größenordnungen und begrenzt den Kurzschlußstrom unter elektrischer und thermischer Entlastung der Oberflächenschicht dauerhaft. Der Kurzschlußstrom ist nun abgeschaltet. Das Widerstandselement 10 kühlt sich sodann ab und kann nun wieder Nennstrom führen.
Dieses Verhalten des Widerstandselements 10 wird wie zuvor beschrieben durch Zumischen geeignet bemessener und dimensionierter Füllstoffkomponenten zum Polymer erreicht. Es kann aber auch dadurch erreicht werden, daß wie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist, mindestens eine der Stirnflächen des Widerstandskörpers 3 von einer dünnen, mit erster Füllstoffkomponente gefüllten Schicht 4 der Polymermatrix gebildet ist. Diese Schicht 4 kann durch Eindiffundieren oder Einpressen von Ruß in die füllstoffreie oder bereits mit zweiter Füllstoffkomponente, wie insbesondere TiB2, gefüllte Polymermatrix hergestellt werden. Die Schicht 4 sollte möglichst dünn, aber dennoch dick genug sein, um eine geforderte Anzahl an Kurzschlußhandlungen zu überstehen. Typischerweise beträgt die Dicke der Schicht 4 einige µm.
In der Polymermatrix kann die zweite Füllstoffkomponente gleichmäßig verteilt sein. Die Konzentration der zweiten Füllstoffkomponente kann aber auch von der Mitte des Widerstandskörpers zur Elektrode 1 und/oder 2 hin graduell abnehmen. Dadurch wird eine besonders ausgeprägte Grenzfläche 41 zwischen der Schicht 4 und der nur mit zweiter Füllstoffkomponente dotierten, verbleibenden Schicht des Widerstandskörpers 3 erreicht.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 2, auch die mit der Elektrode 2 kontaktierte Stirnfläche des Widerstandskörpers 3 als dünne, mit erster Füllstoffkomponente gefüllte Schicht ausgebildet sein. Diese Schicht ist mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Ein solches Widerstandselement weist zwar bei Nennstrombetrieb einen etwas größeren Widerstand als das Widerstandselement gemäß Fig. 2 auf, bildet dann aber beim Auftreten eines Kurzschlußstromes zwei miteinander in Serie geschaltete, strombegrenzende Oberflächenschichten.
Die Grenzschicht 41 und eine zwischen der Schicht 5 und der mit zweiter Füllstoffkomponente dotierten Schicht vorgesehene Grenzschicht 51 enthalten ein Metallgitter und/oder eine flächige Metallisierung. Hierdurch wird eine gleichmäßige elektrische Feldbelastung der einzelnen Schichten des Widerstandskörpers 3 begünstigt.
Bei der Ausführungsform des Widerstandselements gemäß Fig.3 weisen die Schichten 4 und 5 Unterbrechungen 6 auf, die mit lediglich zweite Füllstoffkomponente enthaltendem Polymer gefüllt sind. Ein solches Widerstandselement zeichnet sich gegenüber dem Widerstandselement gemäß Fig. 1 durch eine erhöhte Nennstromtragfähigkeit aus. Die Schichten 4 und 5 bestehen hierbei aus erste und gegebenenfalls auch zweite Füllstoffkomponente enthaltenden Bereichen 7, welche primär der Erzeugung eines Plasmas zur Bildung der Oberflächenschicht dienen.
Wie aus Fig.3 ersichtlich ist, können die vom Widerstandskörpers 3 abgewandten Flächen der Elektroden 1, 2 Kühlrippen 8 tragen. Anstelle von Kühlrippen 8 kann jede der Elektroden 1, 2 auch irdendeinen anderen Kühlkörper, beispielsweise einen Flüssigkeitskühler, tragen. Durch solche mit der Außenfläche zumindest einer der beiden Elektroden 1, 2 verbundene Kühlkörper kann infolge erhöhter Wärmeabfuhr die Nennstromtragfähigeit zusätzlich gesteigert werden.
Wie in Fig.3 bei der Elektrode 2 dargestellt ist, kann zwischen den Elektroden und den Kühlkörpern, beispielsweise den Kühlrippen 8, eine Zwischenschicht 9 aus elektrisch isolierendem, aber thermisch gut leitendem Material angeordnet sein, welche der Potentialtrennung zwischen dem Widerstandselement 10 und den Kühlkörpern dient. Diese Schicht kann von einer mit Füllstoff, wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und/oder Bornitrid, gefüllten Silikonfolie oder einer Keramikscheibe, etwa auf der Basis von Al2O3 oder AlN, gebildet sein.
In Fig.4 ist ein für Nennspannungen bis zu 1,5 kV einsetzbarer Strombegrenzer dargestellt, in dem drei gemäß den vorstehenden Ausführungsformen ausgebildete und miteinander in Serie geschaltete Widerstandselemente 10 verwendet werden. Anstelle von drei Widerstandselementen 10 können auch lediglich zwei oder gegebenenfalls vier und mehr Widerstandselemente verwendet werden. Die Elektroden 1, 2 dieser Widerstandselemente weisen Verlängerungen 11, 12 auf. Zwischen den beiden Verlängerungen 11 und 12 der beiden Elektroden 1, 2 ist jeweils mit Hilfe zweier federnder Kontaktelemente 13 ein Widerstand 14 elastisch federnd eingespannt. Dieser Widerstand kann lineares Spannungsverhalten aufweisen ist aber mit Vorteil ein nichtlinearer, spannungsabhängiger Widerstand, etwa auf der Basis von Metalloxid.
Die beiden Elektroden 1, 2, der Widerstandskörper 3, der parallel dazu geschaltete Widerstand 14 und die beiden federnden Kontaktelemente 13 bilden ein strombegrenzendes, spannungsgesteuertes Bauelement 15 des Strombegrenzers, welches für Nennspannungen bis höchstens 500V verwendet werden kann. Bei der in Fig.4 angegebenen Serienschaltung von drei solchen Bauelementen können Nennspannungen von bis zu 1,5 kV an den Strombegrenzer angelegt werden. Zwischen den Elektroden 1, 2 aufeinanderfolgender Bauelemente 15 sind im Bereich der Widerstandskörper 3 Federelemente 16 vorgesehen, welche die Elektroden 1, 2 mit Druckkraft beaufschlagen und so bei Raumtemperatur einen sicheren Strompfad für den Nennstrom I gewährleisten. Die Widerstandskörper 3 sind in einem Isolierstoffgehäuse 17 untergebracht. Die Verlängerungen 11, 12 der Elektroden 1, 2 sind durch die Wand des Isolierstoffgehäuses 17 geführt und halten die Widerstände 14 außerhalb das Gehäuses. Ein Randabschluß der Widerstandskörper 3 aus isolierendem Material ist mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet.
Bei diesem Strombegrenzer fliesst der Strom zunächst in einem von der Verlängerung 11 der oberen Elektrode 1, einer Serienschaltung der drei Widerstandselemente 10 und der Verlängerung 12 der unteren Elektrode 2 gebildeten Strompfad. Beim Auftreten eines Kurzschlußstroms schaltet eines der Widerstandselemente 10 zuerst. An diesem und an dem parallelgeschalteten Widerstand 14 liegt dann die volle Systemspannung von 1,5 kV an. Der Widerstand 14 sind so bemessen, daß er bei dieser Spannung stromleitend wird, die hohe Spannung über dem Widerstandselement 10 abbaut und dieses so vor Zerstörung schützt. Nun kann ein weiteres der beiden anderen Widerstandselemente 10 schalten. Die Spannung ist jetzt über zwei der drei Widerstandselemente 10 verteilt. Bei geeigneter Bemessung der Widerstandselemente 10 ist eine Überbeanspruchung der beiden durchgeschalteten Widerstandselemente durch die nur vorübergehend voll wirksame Systemspannung nicht zu befürchten. Der nun mit verminderter Spannung beanspruchte Widerstand 14 geht in den nichtleitenden Zustand über. Der Strombegrenzer schaltet nun den Kurzschlußstrom endgültig ab.
Bei der Strombegrenzung aus den Widerstandselementen 10 ausgestoßene und insbesondere Ruß enthaltende Teilchen werden durch das Isolierstoffgehäuse 17 und/oder durch den gegebenenfalls vorgesehene Randabschluß 18 von den nichtlinearen, spannungsabhängigen Widerstandselementen 14 ferngehalten.
Eine besonders raumsparende Ausbildung des Strombegrenzers wird erreicht, wenn die Widerstände 14 treppenartig um beispielsweise 90° und 180° gegeneinander verdreht angeordnet sind. Bei geeigneter Ausbildung der Elektroden 1, 2 und der Zwischenisolation können die strombegrenzenden Widerstandselemente 10 und die Widerstände 14 auch übereinander angeordnet werden. Der Strombegrenzer weist dann eine besonders leicht handhabbare, säulenförmige Struktur auf.