DE19727009B4

DE19727009B4 - Strombegrenzender Widerstand mit PTC-Verhalten

Info

Publication number: DE19727009B4
Application number: DE19727009A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Strümpler; Jan H.W. Kuhlefelt
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: DE19727009A1; JPH1197216A; US5990778A

Abstract

Strombegrenzender Widerstand mit zwei parallel zueinander angeordneten Anschlusselektroden (1, 2), einem von den Anschlusselektroden (1, 2) flächenhaft kontaktierten und PTC-Verhalten aufweisenden Widerstandskörper (3) und mindestens einem mit dem Widerstandskörper (3) in elektrisch leitendem Kontakt befindlichen zylindersymmetrischen Varistor (4, 40), dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (4) säulenförmig ausgebildet ist und mindestens zwei überwiegend senkrecht zur Varistorachse geführte erste Abschnitte (4a) aufweist und einen dazwischen angeordneten zweiten Abschnitt (4b) mit einem gegenüber jedem der ersten Abschnitte (4a) reduzierten Querschnitt oder Teil eines zylindersymmetrischen Stapels von mindestens zwei Varistoren (40) ist, welche durch ein Abstandselement (5) mit einem gegenüber jedem der mindestens zwei Varistoren (40) reduzierten Querschnitt in axialer Richtung voneinander beabstandet sind, und dass Material des Widerstandskörpers (3) einen von den mindestens zwei ersten Abschnitten (4a) und dem zweiten Abschnitt (4b) oder den mindestens zwei Varistoren (40) und dem Abstandselement (5) gebildeten Zwischenraum (6) ausfüllt und die nach aussen weisenden Ränder...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Widerstand nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein derartiger Widerstand kann mit Vorteil zum Begrenzen eines in einem Lastkreis fliessendem Kurzschluss- oder Überstrom eingesetzt werden. Ein in Reihe mit dem Widerstand im Lastkreis angeordneter Schalter unterbricht dann den begrenzten Strom. Dieser Schalter kann daher auf eine gegenüber der Kurzschlussleistung geringe Abschaltleistung ausgelegt sein.
STAND DER TECHNIK
Ein strombegrenzender Widerstand der zuvor genannten Art ist beispielsweise in US 5,313,184 A beschrieben. Ein solcher Widerstand enthält zwei Anschlusselektroden zwischen denen zueinander parallel geschaltet ein PTC-Verhalten aufweisender Widerstandskörper sowie ein Varistor angeordnet sind. Der Widerstandskörper und der Varistor kontaktieren einander über die gesamte Isolationsstrecke zwischen den beiden Anschlusselektroden. Hierdurch werden lokale Überspannungen im Widerstandskörper und damit unzulässig hohe lokale thermische Belastungen des Widerstandskörpers vermieden.
Zur Erhöhung der dielektrischen Festigkeit dieses Widerstandes können mehrere Widerstände in Reihe geschaltet werden. Eine solche Anordnung ist relativ aufwendig, da sowohl zwischen den einzelnen Widerstandskörpern als auch zwischen den einzelnen Varistoren metallene Elektroden angeordnet sind. Im normalen Betriebszustand des Widerstands wird der Strom durch eine Reihenschaltung von mehreren PTC-Verhalten aufweisenden Widerstandskörpern, zwischen denen jeweils eine metallene Elektrode angeordnet ist, geführt. Der Übergangswiderstand zwischen einer metallenen Elektrode und dem Material des Widerstandskörpers ist im allgemeinen relativ hoch und trägt bei einem für Strombegrenzungsaufgaben typischen Widerstand mit einem Gesamtwiderstand von ca. 50 mΩ ebensoviel wie das Material des Widerstandskörpers zum Gesamtwiderstand bei. Darüber hinaus weisen metallene Elektroden und die üblicherweise als Material für den Widerstandskörper eingesetzten, füllstoffgefüllten Polymere unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dadurch können mechanische Spannungen im Inneren des Widerstandes entstehen, welche gegebenenfalls dessen mechanische und elektrische Eigenschaften beeinträchtigen.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen strombegrenzenden Widerstand mit PTC-Verhalten zu schaffen, welcher in einfacher und kostengünstiger Weise herstellbar ist und sowohl eine hohe Nennstromtragfähigkeit und einen weiten Spannungsbereich als auch eine grosse Betriebssicherheit aufweist.
Der erfindungsgemässe Widerstand enthält in zylindersymmetrischer Anordnung einen strukturiert ausgebildeten Varistor oder einen strukturiert ausgebildeten Varistorstapel jeweils mit in Achsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgenden kleinen und grossen Querschnittsflächen sowie einen PTC-Verhalten aufweisenden Widerstandskörper. Das Material des Widerstandskörpers umgibt den Varistor bzw. den Varistorstapel unter Bildung eines nennstromführenden Stromleiters mantelseitig und füllt von den kleinen Querschnittsflächen begrenzte Zwischenräume unter Bildung eines elektrischen Kontaktes zwischen benachbarten Varistorabschnitten mit grossem Querschnitt bzw. benachbarten Varistoren auf.
Dieser Widerstand kann mit hohen Spannungen, beispielsweise 5 oder 10 kV, betrieben werden und weist in vorteilhafter Weise einen einzigen Widerstandskörper und einen einzigen Varistor bzw. Varistorstapel auf. Dadurch werden der elektrischen Kontaktierung von Teilelementen dienende, metallene Elektroden eingespart. Kontaktübergänge zwischen Teilwiderstandskörpern, welche die Leitfähigkeit des Widerstands vor dem Ausführen des PTC-Übergangs wesentlich herabsetzen würden, entfallen. Der erfindungsgemässe strombegrenzende Widerstand kann so bei vergleichbaren Abmessungen mit höheren Nennströmen belastet werden als ein strombegrenzender Widerstand nach dem Stand der Technik.
Darüber hinaus können sowohl der PTC-Verhalten aufweisende Widerstandskörper als auch der Varistor bzw. der Varistorstapel aus einem Polymer gefertigt sein. Der erfindungsgemässe Widerstand kann dann mit Vorteil in einem kostengünstigen und für eine Serienfertigung besonders geeigneten Verfahren, vorzugsweise einem Spritzgussverfahren, hergestellt werden. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, dass unterschiedlich grosse Querschnitte im Nennstrompfad des Widerstands leicht hergestellt und so äusserst einfach Widerstände mit unterschiedlich grossen Nennstromtragfähigkeiten erreicht werden können. Zudem ist der Varistor bzw. der Varistorstapel stets in definierter Weise zwischen Erd- und Hochspannungspotental angeordnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 in axialer Richtung geschnitten eine erste Ausführungsform eines strombegrenzenden Widerstands nach der Erfindung mit einem säulenförmig ausgebildeten, zylindersymmetrischen Varistor,
2 in axialer Richtung geschnitten eine zweite Ausführungsform eines strombegrenzenden Widerstands nach der Erfindung mit einem mehrere scheibenförmige, durch Abstandselemente voneinander getrennte Varistoren enthaltenden, zylindersymmetrisch ausgebildeten Varistorstapel,
3 eine vergrösserte Darstellung eines gestrichelt umrandeten Teil des Widerstands gemäss 1,
4 eine vergrösserte Darstellung des gegenüber 3 abgeänderten und in einer dritten Ausführungsform des strombegrenzenden Widerstands nach der Erfindung vorgesehen Teils, und
5 eine vergrösserte Darstellung des gegenüber den 3 und 4 abgeänderten und in einer vierten Ausführungsform des strombegrenzenden Widerstands nach der Erfindung vorgesehen Teils.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleichwirkende Teile. Die in den 1 bzw. 2 dargestellten, strombegrenzenden Widerstände enthalten jeweils einen zwischen zwei parallel zueinander ausgerichteten, metallenen Anschlusselektroden 1, 2 angeordneten und flächenhaft kontaktierten Widerstandskörper 3 sowie einen Varistor 4 bzw. mehrere in einem Stapel angeordnete und in Reihe geschaltete Varistoren 40. Die Anschlusselektrode 1 befindet sich auf einem Hochspannungspotential von beispielsweise 10 kV, wohingegen die Anschlusselektrode 2 sich auf Erdpotential befindet.
Die Varistoren 4, 40 sind vorzugsweise aus einer dotierten Keramik auf der Basis eines Metalloxids, wie etwa ZnO, oder eines Titanates, wie etwa SrTiO₃ oder BaTiO₃, oder eines Carbides, wie etwa SiC, gebildet. Der in der Ausführungsform gemäss 1 vorgesehene Varistor 4 ist säulenförmig und zylindersymmetrisch ausgebildet und weist neun überwiegend senkrecht zur Varistorachse geführte, beliebig geformte, vorzugsweise kreisscheibenförmige, Abschnitte 4a auf und zwischen zwei benachbarten dieser Abschnitte jeweils einen weiteren beliebig geformten, vorzugsweise kreisscheibenförmigen, Abschnitt 4b mit einem gegenüber jedem der Abschnitte 4a reduzierten Querschnitt. Die in der Ausführungsform gemäss 2 vorgesehenen neun Varistoren 40 sind jeweils beliebig, vorzugsweise kreisscheibenförmig, geformt und sind Teil eines zylindersymmetrischen Stapels, in dem die einzelnen Varistoren 40 durch ein Abstandselement 5 aus einem vorzugsweise metallisch leitenden Material mit einem gegenüber jedem der mindestens zwei Varistoren 40 reduzierten Querschnitt in axialer Richtung voneinander beabstandet sind. Die Varistoren 40 können mit Vorteil auch eine zentral geführte Öffnung aufweisen, durch welche eine Stange geführt ist, welche den Varistorstapel und die gegebenenfalls auch aus Isoliermaterial bestehenden Abstandselemente 5 zusammenhält.
Der Varistor 4 bzw. der Stapel von Varistoren 40 weist eine Durchbruchspannung auf, die oberhalb der Nennspannung des elektrischen Systems liegt, in der der Widerstand eingesetzt wird.
Der Widerstandskörper 3 besteht aus einem PTC-Verhalten aufweisenden Material und kann von einem mit einem elektrisch leitenden Füllstoff, wie beispielsweise Leitfähigkeitsruss, TiC, TiB₂, WC oder VC, gefüllten, insbesondere thermo- oder duroplastischen, Polymer gebildet sein. Das PTC-Verhalten aufweisende Material füllt von jeweils zwei der Abschnitte 4a und dem dazwischenliegenden Abschnitt 4b, bzw. von jeweils zwei der Varistoren 40 und einem der Abstandselemente 5 gebildete, ringförmige Zwischenräume 6 aus. Es verbindet daher benachbarte Varistorabschnitte 4a bzw. benachbarte Varistoren 40 seriell. Ferner umhüllt dieses Material den gesamten Varistor 4 bzw. den gesamten Varistorstapel, insbesondere die nach aussen weisenden Ränder 4c der Varistorabschnitte 4a bzw. die nach aussen weisenden Ränder 40c der Varistoren 40 als Mantel 7. Lediglich dieser mantelförmig ausgebildete Teil des PTC-Verhalten aufweisenden Materials führt oberhalb einer Grenztemperatur einen PTC-Übergang aus, bei dem eine oder mehrere in Serie geschaltete heisse Zonen auftreten.
Im allgemeinen weist eine solche heisse Zone eine Länge von ca. 2 mm auf und fällt an einer heissen Zone typischerweise eine Spannung von 200 V ab. Um im Bereich des Randes jedes Varistorabschnitts 4a bzw. jedes Varistors 40 die Ausbildung der heissen Zone nicht zu beeinträchtigen, sollte der Abstand der Varistorabschnitte 4a bzw. der Varistoren 40 jeweils mindestens 2 mm, vorzugsweise 3–6 mm, betragen. Weist das Varistormaterial eine Durchschlagsfestigkeit von ca 120 V/mm auf, so wird der Varistorabschnitte 4a bzw. so werden die Varistoren 40 jeweils eine Dicke zwischen ca. 1 und 1,5 mm aufweisen. Der Abstand zwischen benachbarten Varistorabschnitten 4a bzw. Varistoren 40 wird dann zweckmässigerweise ca. 1 bis 4 mm betragen.
Der Varistor 4 kann mit Vorteil aus einem zylinderförmig ausgebildeten Varistorblock durch materialabhebende Bearbeitung geformt oder aber durch Spritzgiessen hergestellt werden. Beim Spitzgiessen können bereits die Anschlusselektroden 1, 2 eingeformt werden.
Der solchermassen hergestellte Varistor 4 oder der Varistorstapel werden sodann mit dem geschmolzenen, PTC-Verhalten aufweisenden Material umhüllt, wobei dieses Material die Zwischenräume 6 weitgehend porenfrei auffüllt und den Mantel 7 bildet. Der Mantel 7 und die Anschlusselektroden 1, 2 sind in einen Isolierkörper 8, beispielsweise aus einem Silikon, eingebettet, durch den zwei nicht bezeichnete Stromanschlüsse für die Anschlusselektroden geführt sind.
Um bei solchen Widerständen die Bildung von heissen Zonen an den dielektrisch hochbelasteten Aussenkanten der Varistorabschnitte 4a bzw. der Varistoren 40 zu vermeiden, weisen wie aus den 3 bis 5 ersichtlich ist, die Ränder 4c eine Beschichtung 8 aus Isoliermaterial auf, beispielsweise auf der Basis eines Polymers, wie insbesondere eines Elastomers, etwa Silkon, oder eines Thermoplasts, wie etwa Polyäthylen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Isoliermaterial entsprechend 3 die Ränder 4c und deren beiden Kanten wulstförmig umgibt.
Von zusätzlichem Vorteil ist es, wenn – wie aus 4 ersichtlich – das Material des Widerstandskörpers im Bereich mindestens eines der Ränder 4c und der gegebenenfalls vorgesehenen Beschichtung 8 unter Bildung eines Wulstes 9 bogenförmig nach aussen geführt ist. Durch den auf der Mantelfläche des Widerstandskörpers 3 gelegenen Radius des Wulstes 9, welcher grösser ist als der Radius des Randes 4c bzw. der Beschichtung 8, ist im stromführenden Mantel 7 eine Ansprechzone 10 definiert, in der beim PTC-Übergang erhitztes Material sich nach aussen ausdehnen und sich eine gut lokalisierte, nach aussen weisende heisse Zone 11 bilden kann. Hierdurch werden unerwünscht hohe Stromdichten an anderen Stellen des Mantels 7 vermieden und wird der PTC-Übergang nicht mechanisch unterdrückt.
Bei der Ausführungsform gemäss 5 ist das Material des Widerstandskörpers in Bereich mindestens eines der Ränder unter Bildung einer ringförmigen Einschnürung 12 nach aussen geführt. Hierdurch wird entsprechend der Ausführungsform gemäss 4 die Bildung der heissen Zone 11 in einem genau lokalisierten Bereich definiert.

1, 2: Anschlusselektroden
3: Widerstandskörper
4: Varistor
4a, 4b: Abschnitte
4c: Ränder
5: Abstandselement
6: Zwischenräume
7: Mantel
8: Isolierkörper
9: Wulst
10: Ansprechzone
11: heisse Zone
12: Einschnürung
40: Varistoren
40c: Ränder

Claims

Strombegrenzender Widerstand mit zwei parallel zueinander angeordneten Anschlusselektroden (1, 2), einem von den Anschlusselektroden (1, 2) flächenhaft kontaktierten und PTC-Verhalten aufweisenden Widerstandskörper (3) und mindestens einem mit dem Widerstandskörper (3) in elektrisch leitendem Kontakt befindlichen zylindersymmetrischen Varistor (4, 40), dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (4) säulenförmig ausgebildet ist und mindestens zwei überwiegend senkrecht zur Varistorachse geführte erste Abschnitte (4a) aufweist und einen dazwischen angeordneten zweiten Abschnitt (4b) mit einem gegenüber jedem der ersten Abschnitte (4a) reduzierten Querschnitt oder Teil eines zylindersymmetrischen Stapels von mindestens zwei Varistoren (40) ist, welche durch ein Abstandselement (5) mit einem gegenüber jedem der mindestens zwei Varistoren (40) reduzierten Querschnitt in axialer Richtung voneinander beabstandet sind, und dass Material des Widerstandskörpers (3) einen von den mindestens zwei ersten Abschnitten (4a) und dem zweiten Abschnitt (4b) oder den mindestens zwei Varistoren (40) und dem Abstandselement (5) gebildeten Zwischenraum (6) ausfüllt und die nach aussen weisenden Ränder (4c, 40c) der mindestens zwei Abschnitte (4a) oder der mindestens zwei Varistoren (40) umschliesst.
Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (4c) mit Isoliermaterial (Isolierkörper 8) beschichtet sind.
Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermaterial die Ränder (4c) wulstförmig umgibt.
Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Widerstandskörpers (3) im Bereich mindestens eines der Ränder (4c) unter Bildung eines Wulstes (9) bogenförmig nach aussen geführt ist.
Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Widerstandskörpers (3) im Bereich mindestens eines der Ränder (4c) unter Bildung einer ringförmigen Einschnürung (12) nach aussen geführt ist.