EP0640995A1 - Electrical resistor and application of this resistor in a current limiter - Google Patents
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Definitions
- the invention is based on an electrical resistance element according to the preamble of claim 1.
- the invention also relates to the use of such a resistance element in a current limiter.
- a resistance element of the type mentioned at the outset is known from EP 0 363 746 A1 and from the article by T. Hansson published in ABB Review 4/92 (1992), pp. 35-38, "Polyethylene current monitor for short-circuit protection".
- This resistance element consists of a thin plastic plate made of filler-containing polyethylene, which is arranged between two comparatively thick electrodes. At room temperature, this resistance element has a very low resistance and can then easily carry the nominal current flowing in a low-voltage distribution network. The resistance element can also easily carry a nominal current that is several times higher for several seconds, since the comparatively thick electrodes can temporarily absorb the current heat generated in the resistance element.
- the temperature of the resistance element rises very quickly in a very thin surface layer on the electrodes, which are preferably made of silver-plated copper, and melts the polyethylene in this layer.
- the resistance of the resistance element increases abruptly and reaches approximately 30 times its initial value in less than a millisecond.
- the short-circuit current is thereby greatly reduced and can now be switched off with a circuit breaker of low short-circuit switching capacity connected in series with the resistance element.
- the invention has for its object to provide an electrical resistance element of the type mentioned, which can limit short-circuit currents permanently.
- the object of the invention is also the use of this resistance element in a current limiter for nominal voltages of at least 500 V.
- the electrical resistance element according to the invention can be produced in a simple and inexpensive manner from commercially available components, such as a polymer matrix and a suitable filler. In the low-resistance state, it has a lower specific resistance than the resistance element according to the prior art and can therefore carry larger nominal currents with the same geometric dimensions. In addition, such a resistance element can also switch off short-circuit currents without additional protective circuitry, such as switching devices connected in series with the resistance element.
- a resistance element 10 shown in FIGS. 1 to 3 contains a resistance body 3 with PTC behavior arranged between two plate-shaped, solid, copper-containing electrodes 1, 2. Below a transition temperature T c , this resistance element 10 has a low specific cold resistance and, after installation in a current limiter, forms a path that runs between the two electrodes 1, 2 and that normally leads to the nominal current. Above the transition temperature T c changes the resistance element 10 abruptly changes its electrical conductivity and then has a high specific hot resistance compared to its specific cold resistance.
- the resistance body 3 is formed from a polymer matrix preferably containing a thermosetting or thermoplastic or an elastomer. Two filler components formed by electrically conductive particles are embedded in this matrix, which typically consists of polyethylene.
- a first of these filler components is a material which, like carbon in particular, in the resistance element 10 leads to the abrupt change in resistance known from the prior art due to a surface layer forming when a short-circuit current occurs.
- the second filler component can be a metal, such as Ag, Au, Ni, Pd and / or Pt, and / or a boride, silicide, oxide and / or carbide, such as SiC, TiC, TiB2, MoSi2, WSi2, RuO2 or V2O3, each in undoped or doped form.
- the proportion of filler is chosen to be high, for example between 30 and 50 percent by volume.
- the size of the particles of the first filler component is typically up to 1 ⁇ m, that of the second filler component typically between 1 and 100 ⁇ m. Because the average size of particles of the first filler component is at least one order of magnitude smaller than the average size of particles of the second filler component, the particles of the first filler component are arranged in gaps between the particles of the second filler component.
- the second filler component can thus form numerous percolating current paths, which are necessary for a high nominal current carrying capacity, at operating temperature. At the same time, however, there is also a sufficient amount of first filler component in the regions of the resistance body near the surface to form the current-limiting surface layer.
- the first and second filler components are mixed into a polymer, such as in particular polyethylene, with a shear mixer or with an extruder.
- a polymer such as in particular polyethylene
- this composite is formed by hot pressing and in the case of epoxies by casting and subsequent curing at elevated temperature to form the plate-shaped resistance body 3.
- the flat electrodes 1, 2 are constantly pressed against the end faces of the resistance body by means of spring pressure.
- the second fillers provided in the resistance body 3 of the resistance element 10 form low-resistance current paths passing through the resistance body 3 with an order of magnitude lower specific resistance than a resistance element according to the prior art filled with a comparable amount, but exclusively with the first filler component.
- a resistance element 10 therefore has a significantly increased nominal current carrying capacity.
- This behavior of the resistance element 10 is achieved, as described above, by adding suitably sized and dimensioned filler components to the polymer.
- at least one of the end faces of the resistance body 3 is formed by a thin layer 4 of the polymer matrix filled with the first filler component.
- This layer 4 can be produced by diffusing or pressing carbon black into the filler-free or already filled with second filler component, such as in particular TiB2, polymer matrix.
- Layer 4 should be as thin as possible, but still thick enough to withstand a required number of short-circuit actions. The thickness of layer 4 is typically a few ⁇ m.
- the second filler component can be uniformly distributed in the polymer matrix.
- the concentration of the second filler component can also be from the middle of the Gradually remove the resistance body towards electrode 1 and / or 2.
- a particularly pronounced interface 41 is achieved between the layer 4 and the remaining layer of the resistance body 3 that is only doped with the second filler component.
- the end face of the resistance body 3 contacted with the electrode 2 can also be formed as a thin layer filled with the first filler component. This layer is provided with the reference number 5.
- Such a resistance element does have a somewhat greater resistance than the resistance element according to FIG. 2 during nominal current operation, but then forms two current-limiting surface layers connected in series when a short-circuit current occurs.
- the boundary layer 41 and a boundary layer 51 provided between the layer 5 and the layer doped with the second filler component contain a metal grid and / or a flat metallization. This favors a uniform electrical field load on the individual layers of the resistance body 3.
- the layers 4 and 5 have interruptions 6 which are filled with polymer containing only second filler component.
- Such a resistance element is distinguished from the resistance element according to FIG. 1 by an increased nominal current carrying capacity.
- the layers 4 and 5 here consist of regions 7, which also contain first and possibly also second filler component, which primarily serve to generate a plasma for forming the surface layer.
- each of the electrodes 1, 2 facing away from the resistance body 3 can carry cooling fins 8.
- each of the electrodes 1, 2 can also carry another heat sink, for example a liquid cooler.
- Such heat sinks connected to the outer surface of at least one of the two electrodes 1, 2 can additionally increase the nominal current carrying capacity as a result of increased heat dissipation.
- an intermediate layer 9 made of electrically insulating but thermally highly conductive material can be arranged between the electrodes and the heat sinks, for example the cooling fins 8, which provides the potential separation between the resistance element 10 and the heat sinks serves.
- This layer can be formed by a filler, such as aluminum oxide, aluminum nitride and / or boron nitride, filled with silicone film or a ceramic disk, for example based on Al2O3 or AlN.
- FIG. 4 shows a current limiter which can be used for nominal voltages up to 1.5 kV, in which three resistance elements 10 which are designed in accordance with the above embodiments and are connected to one another in series are used. Instead of three resistance elements 10, only two or possibly four or more resistance elements can also be used.
- the electrodes 1, 2 of these resistance elements have extensions 11, 12. Between the two extensions 11 and 12 of the two electrodes 1, 2, a resistor 14 is clamped elastically resiliently with the aid of two resilient contact elements 13.
- This resistor can have linear voltage behavior, but is advantageously a non-linear, voltage-dependent resistor, for example based on metal oxide.
- a particularly space-saving design of the current limiter is achieved if the resistors 14 are arranged in a step-like manner, for example rotated by 90 ° and 180 ° relative to one another. With a suitable design of the electrodes 1, 2 and the intermediate insulation, the current-limiting resistance elements 10 and the resistors 14 can also be arranged one above the other. The current limiter then has a particularly easy to handle, columnar structure.
Abstract
Description
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.The invention is based on an electrical resistance element according to the preamble of
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.A resistance element of the type mentioned at the outset is known from EP 0 363 746 A1 and from the article by T. Hansson published in ABB Review 4/92 (1992), pp. 35-38, "Polyethylene current monitor for short-circuit protection". This resistance element consists of a thin plastic plate made of filler-containing polyethylene, which is arranged between two comparatively thick electrodes. At room temperature, this resistance element has a very low resistance and can then easily carry the nominal current flowing in a low-voltage distribution network. The resistance element can also easily carry a nominal current that is several times higher for several seconds, since the comparatively thick electrodes can temporarily absorb the current heat generated in the resistance element. At the On the other hand, if a short-circuit current occurs, the temperature of the resistance element rises very quickly in a very thin surface layer on the electrodes, which are preferably made of silver-plated copper, and melts the polyethylene in this layer. As a result, the resistance of the resistance element increases abruptly and reaches approximately 30 times its initial value in less than a millisecond. The short-circuit current is thereby greatly reduced and can now be switched off with a circuit breaker of low short-circuit switching capacity connected in series with the resistance element.
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.The invention, as specified in
Das elektrische Widerstandselement nach der Erfindung kann aus kommerziell erhältlichen Komponenten, wie einer Polymermatrix und einem geeigneten Füllstoff 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.The electrical resistance element according to the invention can be produced in a simple and inexpensive manner from commercially available components, such as a polymer matrix and a suitable filler. In the low-resistance state, it has a lower specific resistance than the resistance element according to the prior art and can therefore carry larger nominal currents with the same geometric dimensions. In addition, such a resistance element can also switch off short-circuit currents without additional protective circuitry, such as switching devices connected in series with the resistance element.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
- Fig.1
- eine Aufsicht auf einen Schnitt durch einen Teil einer ersten Ausführungsform des elektrischen Widerstandelements nach der Erfindung,
- Fig.2
- eine Aufsicht auf einen Schnitt durch einen Teil einer zweiten Ausführungsform des elektrischen Widerstandselements nach der Erfindung,
- Fig.3
- eine Aufsicht auf einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform des elektrischen Widerstandelements nach der Erfindung, und
- Fig.4
- eine Aufsicht auf einen Schnitt durch einen für eine Nennspannung von 1,5 kV vorgesehenen Strombegrenzer, in den Widerstandselemente nach der Erfindung eingebaut sind.
- Fig. 1
- 2 shows a plan view of a section through part of a first embodiment of the electrical resistance element according to the invention,
- Fig. 2
- 2 shows a plan view of a section through part of a second embodiment of the electrical resistance element according to the invention,
- Fig. 3
- a plan view of a section through a third embodiment of the electrical resistance element according to the invention, and
- Fig. 4
- a plan view of a section through a current limiter provided for a nominal voltage of 1.5 kV, in which resistance elements according to the invention are installed.
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.In all figures, the same reference symbols also designate parts with the same effect. A
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.The
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.A first of these filler components is a material which, like carbon in particular, in the
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.A second of these filler components is selected so that a polymer matrix, second filler component and possibly also first filler component-containing composite material exhibits PTC behavior with a jump behavior of the resistance that is at least one order of magnitude higher than that of the surface layer. At the same time, the aforementioned composite material has a specific resistance that is at least one order of magnitude lower than a comparative composite material formed by the polymer matrix and the first filler component with the same amount of filler. The second filler component can be a metal, such as Ag, Au, Ni, Pd and / or Pt, and / or a boride, silicide, oxide and / or carbide, such as SiC, TiC, TiB₂, MoSi₂, WSi₂, RuO₂ or V₂O₃, each in undoped or doped form. The proportion of filler is chosen to be high, for example between 30 and 50 percent by volume.
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.The size of the particles of the first filler component is typically up to 1 μm, that of the second filler component typically between 1 and 100 μm. Because the average size of particles of the first filler component is at least one order of magnitude smaller than the average size of particles of the second filler component, the particles of the first filler component are arranged in gaps between the particles of the second filler component. The second filler component can thus form numerous percolating current paths, which are necessary for a high nominal current carrying capacity, at operating temperature. At the same time, however, there is also a sufficient amount of first filler component in the regions of the resistance body near the surface to form the current-limiting surface layer.
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.To produce a
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.In normal operation, the second fillers provided in the
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.If a short-circuit current occurs, the aforementioned thin surface layer is formed from the polyethylene lying on the
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.This behavior of the
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.The second filler component can be uniformly distributed in the polymer matrix. The concentration of the second filler component can also be from the middle of the Gradually remove the resistance body towards
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.As can be seen from FIG. 1, in contrast to the embodiment according to FIG. 2, the end face of the
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.The
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.In the embodiment of the resistance element according to FIG. 3, the
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.As can be seen from FIG. 3, the surfaces of the
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.As shown in FIG. 3 for the
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.FIG. 4 shows a current limiter which can be used for nominal voltages up to 1.5 kV, in which three
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.The two
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.In this current limiter, the current initially flows in a current path formed by the extension 11 of the
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.When the current is limited, particles expelled from the
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.A particularly space-saving design of the current limiter is achieved if the
- 1, 21, 2
- ElektrodenElectrodes
- 33rd
- WiderstandskörperResistance body
- 4, 54, 5
- Schichtenlayers
- 66
- UnterbrechungenInterruptions
- 77
- BereicheAreas
- 88th
- KühlrippenCooling fins
- 99
- ZwischenschichtIntermediate layer
- 1010th
- WiderstandselementeResistance elements
- 11, 1211, 12
- VerlängerungenExtensions
- 1313
- KontaktelementeContact elements
- 1414
- WiderständeResistances
- 1515
- BauelementeComponents
- 1616
- FederelementeSpring elements
- 1717th
- IsolierstoffgehäuseInsulating housing
- 1818th
- RandabschlußEdging
- 41, 5141, 51
- GrenzflächenInterfaces
Claims (14)
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE59306823T DE59306823D1 (en) | 1993-08-25 | 1993-08-25 | Electrical resistance element and use of this resistance element in a current limiter |
EP93113545A EP0640995B1 (en) | 1993-08-25 | 1993-08-25 | Electrical resistor and application of this resistor in a current limiter |
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