SE462250B - Anordning foer oeverstroemsskydd - Google Patents

Description

2 462 250 En fördel med den polymerbaserade termistorn jämfört med den keramiska är att dess resistans är monotont stigande med temperaturen. Den är dessutom väsentligt billigare. Kommersiellt tillgängliga termïst°rer av denna ÜYP är dock utförda för relativt låga märkspänningar och kan därför inte utan vidare användas i distributionsnät. Termistorernas konfiguration och - elektrodanslutningar är dessutom i regel så beskaffade, att termistorerna vid kortslutning utsätts för stora repulsionskrafter p g a antiparallella s strömbanor, varvid elektroderna slites isär. Omslagsenergin för dessa termistorer är dessutom relativt låg, vilket gör att de i det lägre över- strömsområdet inte ger tillräcklig fördröjning av utlösningen för att utan vidare kunna användas för motorskydd. Av ovannämnda skäl har polymerbase- rade termistorer hittills inte kommit till nämnvärd praktisk användning inom elkrafttekniken, utan har i huvudsak använts för skydd av elektronik- utrustningar.

REnoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en relativt enkel och billig skyddsanordning av ovannämnda slag, som är så utförd, att en och samma apparatenhet fungerar både som motor- och kortslutningsskydd.

Detta uppnås enligt uppfinningen genom en anordning som uppvisar de i patentkrav 1 angivna kännetecknen.

Genom att förse skyddsanordningens termistor med en termisk fördröjnings- anordning, som omfattar minst en mot termistorn anliggande värmeupptagande kropp, uppnås att man kan använda en och samma komponent såväl för,motor- skydd som för kortslutningsskydd. Detta innebär väsentliga fördelar ur kostnads- och utrymmessynpunkt. Anordningen kan ersätta såväl konventio- nella smältsäkringar som s k automatsäkringar (dvärgbrytare), och den uppvisar båda dessa säkringstypers fördelar utan att vara behäftad med deras nackdelar, t ex smältsäkringens begränsade livslängd och automat- säkringens begränsade brytförmága vid kortslutning.

Vid motorstart skall enligt gällande normer motorskyddet inte lösa ut inom s vid en ström på 6 ggr märkströmmen. Om man antar att all värme som ut- vecklas i termistorn under denna tid överföres till elektroderna erfordras en elektrodvolym max nz tmax v=----- 1 P e Be cewt-Ta) s 462 250 där Pmax = skyddsanordningens högsta tillåtna förlusteffekt n = 6 tmax = 5 S De = elektrodmaterialets densitet ce = elektrodmaterialets specifika värmekapacitet Tt = termistorns omslagstemperatur Ta = omgivningstemperaturen Om elektrodmaterialet är koppar, Pmax = 2 W, Tt = 120 OC och Ta = 20 OC erfordras enligt ovanstående en elektrodvolym på ca 10 cm3. Denna volym är som synes oberoende av skyddsanordningens märkström om förlusteffekten Pmax är densamma. I praktiken går dock en viss del av den utvecklade energin åt till att värma upp själva termistorn. Dessutom kan vid skydds- anordningar för låg märkström förlusteffekten vara betydligt lägre än det angivna värdet. Man kan därför i vissa fall klara sig med en elektrodvolym som är väsentligt lägre, exempelvis en tiondel av det ovan beräknade vär- det.

Polymerbaserade termistorer är som ovan nämnts vanligen utförda för relativt låga märkspänningar, t ex 50-100 V. Det har dock visat sig att dessa termistorer kortvarigt kan tåla betydligt högre spänningar, t ex 400-500 V. Detta gör att man kan använda denna typ av termistorer i nät med en driftspänning av exempelvis 230 V, där spänningstoppar av ovan- nämnda storleksordning kan uppträda över termistorn vid brytning av höga felströmmar, exempelvis vid kortslutning. En förutsättning härför är dock att skyddsanordningen förses med organ som i sådana fall ger en snabb spänningsavlastning av termistorn. Detta kan åstadkommas exempelvis genom en parallellt med termistorn kopplad varistor, t ex en Zn0-varistor.

Alternativt kan man, enligt en vidareutveckling av uppfinningen, förse den i serie med termistorn liggande kontaktanordningen med en snabbutlösare (s k kicker), som är anordnad att direkt påverka kontaktanordningen för öppnande av denna när termistorn uppnått sin omslagstemperatur. I denna utlösare ingår den ovannämnda excitationsspolanordningen, som lämpligen kan utgöras av två samverkande spolar, av vilka den ena är fast och den andra rörlig. Spolarna seriekopplas på sådant sätt, att de genomflytes av antiparallella strömmar. Därigenom uppträder vid stora felströmmar, t ex vid kortslutning, en repulsionskraft som snabbt förskjuter den rörliga 462 259 spolen, som via ett påverkningsorgan åstadkommer öppning av kontaktanord- ningen. Det huvudsakliga spänningsfallet i kretsen uppträder därigenom endast kortvarigt över termistorn och ligger efter brytningen över kontaktanordningen, som upprätthåller erforderlig spänningshållfasthet.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av ett utförings- exempel med hänvisning till bifogade ritningar. där fig 1 visar ett kopplingsschema för en anordning för överströmsskydd enligt uppfinningen, fig 2 visar en kurva över resistansen som funktion av temperaturen för en termistor som ingår i skyddsanordningen enligt fig 1, fig 3 visar i sidovy en termistor som ingår i skyddsanordningen enligt fig 1, fig 4 visar en kurva över utlösningstiden som funktion av strömmen för skyddsanordningen enligt fig 1, fig 5 visar ett exempel på en snabbutlösare för en kontaktanordning som ingår i skyddsanordningen enligt fig 1, och fig 6 visar strömförloppet vid en kortslutningsbrytning med en skydds- anordning enligt fig 1.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMEL Den i fig 1 visade anordningen för överströmsskydd innehåller en termistor 1 med positiv temperaturkoefficient (PTC-resistor) seriekopplad med en kontaktanordning 2. Parallellt med kontaktanordningen ligger en excita- tionsspole 3, som ingår i en snabbutlösare för kontaktanordningen. Ut- lösaren är anordnad att påverka kontaktanordningen för öppnande av denna vid överström. En varistor 9 för överspänningsskydd kan vara anordnad parallellt med termistorn.

Termistorn 1 är av den ovannämnda polymerbaserade typen. Fig 2 visar resistansen R för en sådan termistor som funktion av temperaturen T. g\ ßl-fi 462 zou I termistorns normala arbetsområde, som kan sträcka sig upp till exem- pelvis 80 OC, är resistansen låg, exempelvis 0,04 Q, och ökar svagt med temperaturen. Om termistorns temperatur stiger över nämnda värde, t ex på grund av överström, ökar resistansen snabbare, och vid överskridande av en viss temperatur Tt, nedan kallad omslagstemperaturen, som exempelvis kan ligga vid ca 120 OC, övergår termistorn plötsligt från ett lågresistivt till ett högresistivt tillstånd, i vilket resistansen kan uppgå till 10 kQ och mera.

Termistorn 1 kan exempelvis ha formen av en rektangulär skiva 4, och är försedd med elektroder 5, som anligger mot skivans flatsidor, såsom fram- går av fig 3. Elektroderna har i huvudsak samma ytmått som termistor- skivan, men är väsentligt tjockare än denna. De är utförda av material med god elektrisk och termisk ledningsförmåga, exempelvis koppar. Genom detta utförande uppnås en termisk.fördröjning av skyddsanordningen enligt fig 1 då denna genomflytes av motorstartströmmar uppgående till 6-10 ggr märk- strömmen. Man kan därigenom uppnå en skvddsanordning med en utlösnings- karakteristik som uppfyller kraven för motorskydd enligt gällande natio- nella och internationella normer, t ex IEC 159, och som dessutom ger ett effektivt kortslutningsskydd.

Fig 4 visar hur en utlösningskarakteristik enligt ovan i princip ser ut. I Område A, som sträcker sig upp till ca 10 ggr märkströmmen, önskas en ter- misk fördröjning av termistorns omslag från låg- till högresistivt till- stånd, så att inte anordningen löser ut vid normal motorstart. Detta upp- nås genom den i fig 3 visade konstruktionen där elektrodernas 5 massa in- går i termistorns "termiska massa". Detta för med sig att en större energi och därmed längre tid krävs för att nå omslagstemperaturen hos termistor- materialet.

Vid kortslutning, däremot, vill man ha en sà snabb utlösning som möjligt, vilket innebär att den erforderliga energin för termistorns omslag skall vara så låg som möjligt i detta fall. Även detta uppnås genom den i fig 3 visade konstruktionen, eftersom vid de stora strömmar som det här är fråga om (område B), den i termistorn utvecklade energin inte hinner ledas till elektroderna 5 innan termistorn slagit om. Vid kortslutningsströmmar sker därför termistorns omslag vid betydligt lägre energivärden än i start- strömsområdet. I vissa fall kan erforderlig omslagsenergi vid kortslutning uppgå till endast en tiondel av omslagsenergin vid motorstart. 6; 462 250 Genom att förse termistorn med relativt tjocka elektroder av material med god elektrisk ledningsförmåga och ansluta komponentens kopplingsledningar 6 till respektive elektrods mittparti, så som framgår av fig 3, uppnås en ur bl a mekanisk synpunkt gynnsam strömfördelning i komponenten. Med ett sådant utförande minimeras nämligen risken för att elektroderna slites isär p g a elektrodynamiska repulsionskrafter som orsakas av anti- parallella strömbanor.

I fig 5 visas ett exempel på hur en utlösare för kontaktanordningen 2 enligt fig 1 i princip kan vara anordnad. Utlösaren enligt fig 5 är en .snabb elektrodynamisk utlösare som innehåller två omkring en fast fixerad järnkärna 7 anordnade spolar 3a, 3b av vilka den ena spolen 3a är fast och den andra spolen 3b är rörlig. Spolarna är seriekopplade på sådant sätt, att de kommer att genomflytas av antiparallella strömmar. Spolarna på- verkas därvid av en repulsionskraft F som är monotont växande med strömmen i kvadrat. Kraften ger en snabb förskjutning av den rörliga spolen mot höger, och via en medbringare 8 av isolerande material överföras kraften direkt till kontaktanordningens 2 rörliga kontakt. Denna kontakt är roter- bart lagrad vid sin ena ände och ledbart kopplad till medbringaren vid en punkt mellan kontaktens ändar. Därigenom åstadkommas en utväxling i rörelseöverföringen, så att tillräckligt stort kontaktavstånd kan uppnås med en relativt liten förskjutning av den rörliga spolen 3b. Detta innebär att de elektrodynamiska krafternas beroende av spolarnas relativa läge minimeras.

Järnkärnan 7 har till uppgift att förstärka utlösningskraften vid de lägre överströmmarna.

Fig 6 visar strömförloppet vid en kortslutningsbrytning med en skydds- anordning enligt fig 1. Vid normal drift har termistorn en låg resistans, t ex 0,04 Q, och hela driftströmmen flyter genom denna. Om en kortslut- ning inträffar, stiger strömmen mycket snabbt och termistorn värms upp.

Vid tidpunkten tt, som ligger endast några delar av en millisekund efter det att kortslutningen inträffat, övergår termistorn från sitt lågresis- tiva till sitt högresistiva tillstånd (termistorn "trippar"), varvid strömmen kommuteras över till parallellgrenen, där den begränsas av impedansen i spolanordningen 3, som har en relativt hög resistans, exem- pelvis 0,4_Q. Spolanordningen 3 kan lämpligen vara utformat så som visas i fig 5. Genom elektrodynamisk kraftverkan får man därvid en snabb öppning _

Claims (8)

7 462 :as av kontaktanordningen vid tidpunkten tk, varvid strömmen brytes. Genom att strömmen begränsats till ett relativt lågt värde p g a impedansen i spol- anordningen 3 och dessutom är i huvudsak resistiv, är brytningen relativt lätt. Kontaktanordningen kan därför vara mycket enkel och behöver even- tuellt inte förses med ljusbågsskärmar. Genom den snabba kontaktöppningen får man dessutom en snabb spänningsavlastning av termistorn, som därför inte behöver vara utförd för att kontinuerligt tåla driftspänningen. Uppfinningen är inte begränsad till det visade utföringsexemplet utan flera varianter är möjliga inom ramen för patentkraven. Exempelvis behöver inte snabbutlösaren utgöras av två spolar, så som visats, utan kan i stäl- let utgörs av en spole som påverkar en rörlig magnetdel för öppnande av kontaktanordningen. Utlösarens påverkningsorgan behöver för övrigt inte vara mekaniskt kopplat till den rörliga kontakten, utan kan utgöras av en isolerande skiva som skjutes in mellan den rörliga och den fasta kontak- ten. PATENTKRAV

1. Anordning för överströmsskydd i elektriska anläggningar, vilken anordning innefattar en termistor (1) seriekopplad med en kontaktanordning (2) samt en parallellt med termistorn kopplad excitationsspolanordning (3) som är anordnad att påverka kontaktanordningen för öppnande av denna vid överström, k ä n n e t e c k n a d av att termistorn (1) är tillverkad av ledande polymerkomposit med positiv temperturkoefficient och är försedd med en termisk fördröjningsanordning, vilken omfattar minst en värmeupp- tagande kropp (5) som anligger mot termistorn.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att termistorn (l) är skivformig och att den termiska fördröjningsanordningen utgöres av två värmeupptagande kroppar (5) av metalliskt material som anligger mot termistorn på var sin sida om denna.

3. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d av att de värmeupptagande kropparna (5) utgör anslutningselektroder för termistorn.

4. Anordning enligt patentkrav 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d av att de värmeupptagande kropparnas (5) volym är större än 0,9 cm3. VX! 462 250

5. Anordning enligt patentkrav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a d av att termistorn (1) är försedd med kopplingsledningar (6) anslutna till respektive elektrods mittparti på sådant sätt, att de vid kortslutning uppträdande och på elektroderna verkande elektrodynamiska repulsions- krafterna minimeras.

6. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - n a d av att nämnda excitationsspolanordning (3) ingår i en snabbutlösare (s k kicker) som är anordnad att direkt påverka kontaktanordningen (2) för öppnande av denna när termistorn (1) uppnått sin omslagstemperatur.

7. Anordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d av att utlösaren innehåller två samverkande, av antiparallella strömmar genom-r flutna seriekopplade spolar (3a, 3b), av vilka den ena (3a) är fast och den andra (3b) är rörlig, varvid den rörliga spolen är anordnad att via ett påverkningsorgan (8) åstadkomma öppning av kontaktanordningen (2).

8. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - n a d av att en varistor (9) är parallellkopplad med termistorn (1).