SE470296B - Anordning för skydd mot överström i elektriska kretsar - Google Patents

Description

15 20 °s .J 702 6 Jë. brytaren ingàende kontaktsystem eller indirekt Via En speciell excitationsanordning bestående av en elektromagnetisk utlösare så kallad "plunger eller _ schlagstiftanordnpng", som också exciteras av huvudströmmen, varvid ett ankare i en magnetisk krets verkar pá kontaktsystemet och/eller pà en utlösare till en fjädermekanism, som verkställer till /fràn-funktion- Även fjärrmanövrering förekommer t ex i kontaktorer, för att upprätthålla 2 stabila mekaniska jämviktslägen, till resp _fràn. Kontaktsystem där elektrodynamiska strömkrafter verkar direkt pà kontakterna är tidigare kända t ex genom patentskrifterna GB l 519 S59, GB"l 489 010, GB l 405 377.

Hybrider där de tvá principerna utnyttjas är beskrivna bland annat i patentskriften GB l 472 412 samt genom artikeln " A New PTC Resistor for Power Applications" av R S Perkins m fl, publicerad i tidskriften IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology, Vol-CHMT-5,No.2,juni 1982, s 225-230 samt U.S. 3,249,8lO och DE 35 446 47- En allvarlig nackdel med kortslutningsskydd enligt punkt l och 2 ovan, speciellt vid höga och branta (=snabbt växande) kortslutningsströmmar, är den stora inbyggda trögheten_ Termisk tröghet är begränsande för de under punkt l nämnda kortslutningsskydden, medan det i ljusbágsbaserade brytare är den mekaniska trögheten, dvs masströgheten, som gör sig gällande vid en önskad snabb kontaktseparation. I ljusbàgsbaserade brytare blir, pga nämnda masströghet, ljusbágen fördröjd pà kontakterna, varför den för strömbegränsningen viktiga ljusbàgsspänningen först efter en relativt làng fördröjningstid (ms) uppnår värden, som begränsar den annars monotont växande kortslutningsströmmen.

Dessutom erfordras mycket höga kontakttryck, proportionella mot apparatens märkström i kvadrat, för att kontakterna under normala driftströmmar skall kunna bära märkströmmen.

Detta hindrar ytterligare en snabb kontaktseparation, eftersom kontakttrycket äfamötfiktafïde separerande elektrodynamiska repulsionskrafterna- vn 15 20 1./ .MI V) 478 296 Möjligheten att justera känsligheten hos kortslutningsskydden under punkt l och 2 ovan är mycket begränsad- Detta fár till följd att ett omfattapde koordinationsarbete med över- och underordnade, i elektriska kretsen ingående skydd, erfordras.

Normer har därför utarbetats, t ex DIN 57636 Teil Zl/VDE 0636 Teil Zl § 7,12 samt IEC 947-2, eftersom felaktig koordination bl a kan innebära selektivitetsproblem, vilka är svära att àtgärda (justera) i befintliga anläggningar.

Kortslutningsskydd baserade pà principerna l och 2, är pà grund av ovan nämnda nackdelar, speciellt trögheten, mindre lämpade såsom kortslutningsskydd eller strömtransient- skydd för tyristorer eller elektronikutrustningar, dä dessa är känsliga för såväl höga strömderivator som hög energiutveckling.

I kapacitiva kretsar eller induktiva motorkretsar med höga presumtiva kortslutninsströmmar kan också höga strömderivator och höga kortslutningsströmmar uppstà. Typiska värden pà presumtiva kortslutningsströmmar är Ik = 50-lOOkA samt motsvarande strömtidderivator fràn 22-44 kA/ms. En konventionell säkring med märkströmmen 100 A släpper då igenom en strömpeak pá ca 16 kA och fiz-dt=2O kA?s, vilket mycket överskrider tillåtna värden hos motsvarande tyristor¿ Drosslar inkopplas därför ofta ivtyristorkretsar för att minska strömderivator, varvid kortslutningsskydden ovan kan användas- Självàterhämtande kortslutningsskydd utgöres främst av s k termistorer. Uttrycket PTC-element är en vedertagen benämning pà termistorer vars resistivitet har en positiv temperaturkoefficient (Positive Temperature Coefficient).

Elektriskt ledande polymerkompositioner, speciellt PTC- kompositioner, och anordningar i vilka PTC-kompositioner ingår, är tidigare kända. Refereringar kan göras till t ex U.S. Patents Nos. 2,978,665, 3¿35l,882, 4,0l7,7l5, 4,l77,376 och 4,246,468 och U.K Patent No. l,534,7l5- Senare framsteg har t ex beskrivits i Tyska patent Nos. 2,948,350, 2,948,Z8l, 2,949,l74 och 3,002,72l och inom olika applikationer 10 15 20 75 470 296 A u.s_ Serial Nos- 41,071 (MP0295). 67,207 (MPOZQQ) och 88,344 (MPO70l), samt applikationspatent såsom U.S- Serial NOS- l4l,984 (Mp=7l2), l4l,987 (MPO713), l4l,988 (MPO7l4l, l4l,989 (MPO7l5), l4l,99l (MPO720) och l42,054 (MpO725). 5 Ett problem med PTC-element, då de upphettas av den i desamma genomflytande strömmen, är att vid temperaturen, dá PTC- f elementen blir självreglerande, upptas spänningen över av ett fragment av PTC-elementet, varför fragmentet utsättes för mycket stora pàkänningar i nämnda fragment- PTC-elementet kan därmed förstöras- PTC-utföranden där detta problem elimineras är kända t ex genom europapatent EP O 038 716 _ PTC-element för överströmsskydd är ofta uppbyggda av ett polymert material, t ex högtryckspolyeten, innehållande partiklar av ett elektriskt ledande material, t ek kimrök, och uppvisar en resistivitet med positiv temperaturkoefficient.

Keramiska termistorer, som uppvisar PTC-karakteristik är kända genom patentpublikation GB-A-1570138- De vanligast förekommande keramiska termistorerna baseras pà BaTiO3 eller V20; - En fördel med den polymerbaserade termistorn jämfört med den keramiska är att dess resistans är monotont stigande med temperaturen. Den är dessutom relativt billig- Kommersiellt tillgängliga termistorer av polymertyp är dock utförda för relativt làga märkspänningar och kan därför ej utan vidare användas i t ex distributionsnät- Termistorernas konfiguration och elektrodanslutningar är dessutom i regel sá beskaffade, att termistorerna vid höga kortslutningsströmmar utsättes för stora repulsionskrafter p g a antiparallella strömbanor, varvid elektroderna slites isär- Det är vidare känt att plastbaserade PTC-element av sk sandwich-typ efter övergång fràn làgresistivt till högresistivt tillstànd inte átergàr till initialresistansen. I allvarligare fall dà PTC-elementen utsättas för mycket stora elektriska pàkänningar, sàsom kortslutningsströmmar uppträder blàsbildning och sprickbildning i centrala eller andra delar av PTC-elementets POlymerkomposition, sà att det inte längre kan fungera, dvs elemenetet blir förstört- 15 20 ¿5 FU 470 296 vn P g a ovannämnda skäl har polymerbaserade termistorer hittills inte kommit till nämnvärd praktisk användning inom _ elkrafttekniken, utan\har i huvudsak använts för skydd av elektronikutrustningar, där dock den termiska trögheten begränsar det möjliga applikationsomràdet_ En väsentlig skillnad mellan termistorer och smältsäkringar är att termistorer är àteranvändbara, "self restoring“, efter en kortslutning, d v s termistorer kan àteranvändas efter kortslutning, vilket även gäller effektbrytare.

Elastomerer utgöres av alla polymerer, som uppvisar liknande elastiska egenskaper som naturgummi. inom ett relativt stort tillåtet elastiskt omrâde, kan elastomerer komprimeras eller sträckas, för att átergà till initialtillstànd efter att belastningen upphört. Elektriskt ledande elastomerer är en klass av gummi och plaster, som gjorts elektriskt ledande antingen genom addition av metallblandningar, eller genom orientering av metallfibrer under inverkan av elektriska fält, eller genom addition av olika kolblandningar eller keramer, t ex VZO3- material dispergerat sàsom beskrivs i artikeln "V203 Composite Thermistors" av D Moffat m fl, publicerad i Proceedings of the Sixth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics,_l986 s 673-676. I gummi användes flera typer av "carbon black" t ex grafit, acetylene black, lamp black och furnace black med partikeldiametrar fràn 10-300nm. Exempel pá lämpliga gummimaterial, som efter addition av metallblandningar eller kolblandningar blir elektriskt ledande är butyl, natural, polykloropren, neopren, EPDM samt det vanligaste, silikongummi. Additiver av metaller och metallegeringar i pulverform lämpade som additiver i elastomerer är silver, nickel, koppar, silverpläterad koppar, silverpläterad nickel samt silverpläterad aluminium.

Inom givartekniken användes elektriskt ledande elastomerer sásom tryckgivare. De elektriska egenskaperna ändras dà elektriskt ledande elastomer deformeras, t ex genom att de utsättes för tryck eller dragpàkänningar, vilket yttrar sig i gp 10 20 ZS 39 lå: 470 296 6 en resistansändring.

De mest vanliga typerna av kol eller metallfyllda plaster är polyetylen och polyprdpylen. Dessa användes i dag för värmekablar samt överströmsskydd, de senare t ex tidigare nämnda polymerbaserade PTC-termistorer.

Emellertid försämras de mekaniska egenskaperna hos plasten, efter att elektriskt ledande fyllmedel tillsatts. Materialet blir sprött och hàrt och därmed svárt att deformera. Dessa material är därför olämpliga som tryckgivare och kräver för PTC-applikationer, dessutom en relativt'komplicerad kontakteringsteknik- En ytterligare begränsning hos kolfyllda plaster är den relativt höga resistiviteten typiskt l;Ohmcm och mer. Metallfyllda plaster kan däremot tillverkas med betydligt lägre resistivitet, mindre än O.50hmcm, men spänningshállfastheten blir mycket dålig, varför dessa material ej lämpar sig som överströmsskydd- Resistansen för elektriskt ledande elastomerer kan genom inblandning av metallpulver göras mycket låg t ex 2mOhmcm eller lägre. En fördel med elastomerer är att de är mycket mjuka jämfört med kolfylld polyetylen och polypropylen även vid stora halter av elektriskt ledande fyllmedel, typiska shoretal enligt amerikansk standard ASTM D224O (Q/C) mellan zoiäo- i REnoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en relativt enkel och billig skyddsanordning, som kan begränsa de högsta i làgspänningsnät förekommande kortslutningsströmmar även vid mycket höga strömderivator, och vars utlösnings- karakteristik dvs känslighet lätt kan anpassas till det aktuella skyddsobjektet. Detta uppnås enligt uppfinningen genom en anordning, som uppvisar de i patentkrav 1 angivna kännetecknen- Genom att deformera åtminstone en i strömbegränsningselementet 10 15 20 r O 2 \C) 47 CD / ingående elektriskt ledande elastomerkropps välvda eller konvexa begränsningsyta, medelst en tryCköfiOfdnifi9, Samt integrera elektroder för ledande av ström genom ström- begränsningselementetk uppnás en betydligt effektivare strömbegränsning än hos konventionella kortslutningsskydd beskrivna under rubriken "teknikens ståndpunkt"- Detta innebär väsentliga kostnadsfördelar speciellt pá nedströmssidan om strömbegränsningselementet_ Anordningen kan ersätta sàväl konventionella smältsäkringar som sk automatsäkringar(MCB), och uppvisar båda dessa säkringstypers fördelar utan att vara behäftad med deras nackdelar, t ex smältsäkringens begränsade livslängd och automatsäkringens begränsade brytförmàga"vid kortslutning- I den sàsom strömbegränsningselement fungerande anordningen ingår àtminstone en elektriskt ledande elastomerkropp samt 2 elektroder. Polymerkompositionen i elastomerkroppen kan vara av känt slag och utgör ingen del av föreliggande uppfinning- Som exempel pá lämpliga elastomerer kan särskilt nämnas butyl, natural, polykloropen, neopren, EPDM och silikongummi.

Det ledande pulverformiga materialet består företrädesvis av silver, nickel, kobolt, silverpläterad koppar, silverpläterad nickel, silverpläterad aluminium, kimrök, ledande sot eller carbon black- Lämplig partikelstorlek hos det pulverfprmiga materialet är 0.01-lO mikrometer.och lämplig halt av det pulverformiga fyllmedlet är 40-90% av den sammanlagda vikten av det pulverformiga fyllmedlet och elastomermaterialet. Den elektriska elastomerkroppens resistivitet ligger företrädesvis inom omrâdet 0.1 mohmcm - 10 Ohmcm- Om mer än en kropp av elektriskt ledande elastomer ingår i anordningen kan kropparna vara av samma eller olika elastomer och dà med samma eller olika fyllmedel och resistivitet- Elektroderna är av konventionellt slag t ex försilvrad koppar. De har företrädesvis orienterats sà, att dà de genomflytes av höga strömmar, uppstår repulsionskrafter mellan sagda elektroder- Det tryck som upprätthàlles pà elektroderna, t ex med en känd tryckanordning beskriven i US 3 914 727 eller en konventionell fjädermekanism, till/fràn, för elkopplare, deformerar den konvexa anliggningsytan hos de elastomerkroppar där en sådan 10 470 296 8 anliggningsyta ingår. Deformationen uppgår företrädesvis till minst 5% definierat utifrån avståndet mellan kropparna som angränsar Speciellt föredrages en deformation av 5-30%, till en betraktad elastomerkropp, dvs. om avståndet,'då trycket är 0 och angränsande kroppar nätt och jämnt anligger mot elastomerkroppen, är d, och efter att trycket har appli- cerats avståndet ändras till 0,7 d, så har kroppen deformerats 30%. 30-50 IRHD i överensstämmelse med brittisk standard BS903/A26, men material med såväl lägre som högre hårdhet kan tänkas Speciellt föredrages elastomerkroppar med hårdhet mellan användas.

Föredragna utföringsformer av uppfinningen framgår av de osjälvständiga patentkravenï 15 ZÛ 25 an' Enligt den föreliggande uppfinningen har det visat sig möjligt att motverka eller helt eliminera de under rubriken "Teknikens ståndpunkt" beskrivna nackdelarna sàsom okänslighet mm hos kortslutningsskydden- Strömbegränsningselementet ändrar sin resistans dà höga kortslutningsströmmar uppträder vid en lägrg energiutveckling, varvid den termiska och mekaniska trögheten har minskat. Vidare àtergàr strömbegränsningselementet efter övergång fràn làgresistivt till högresistivt tillstànd till initialresistansen, och är àteranvändbart även sedan det utsatts för kortslutningsströmmar. En tänkbar förklaring till det enligt uppfinningen uppnådda resultatet kan vara följande. vid normal strömgenomgàng upprätthàlles en làg övergångs- resistans mellan de element,_som bildar kontakt med varandra genom den övergàngsyta, som bildas dà kroppen med konvex anliggningsyta, eller kropparna om flera sådana ingår, pà grund av en yttre tryckanordning deformeras. Dà höga kortslutningsströmmar uppträder vill elektroderna separera av strömkrafter. Dessutom uppstår sk striktionskrafter i övergången mellan den konvexa anliggningsytan, hos de elastomerkroppar där en sådan anliggningsyta ingàr, och angränsande kroppar, pà grund av den föredragna anliggningsytans utformning. Därmed minskar anliggningsytan dels p g a att elastomerkropp med konvex anliggningsyta kan deformerasfsamt att elektroderna~vill separera. Som en följd av detta ökar energiutvecklingen snabbare i den minskande övergàngsytan, vilket medför att elastomerkroppens resistans Ökar kraftigt i övergàngsytan utan att elastomerkroppen i övrigt utsätts för otillátet höga pàkänningar. Dessutom är, pà grund av den föredragna elastomerkroppens tvärsnitt strömtätheten störst utefter tvärsnittsytans symmetrilinje mellen elektroderna, vilket medför att materialet stressas mest här, varvid sprick och blàsbildning i tvärsnitt vinkelrätt mot strömriktningen förhindras. 470 296 10 Genom att kombinera de i teknikens ståndpunkt beskrivna fysikaliska egenskaperna sàsom, elektriskt ledande _ elastomerers tryckkänsiighet, övergàngsytor, erhàllen elektrodynamisk repulsionsverkan genom lämplig geometri- utformning av elektriskt ledande elastomerkroppar och elektroder tillsammans med lämpligt val av elektrodmaterial, i en anordning för strömbegränsning uppnås bl a följande fördelar: a) Avsevärt ökad känslighet vid höga strömderivator och kortslutningsströmmar p g a en fjädrande tryckanordning samt föredragen elektrodutformning som tillsammans med den speciellt utformade, elektriskt ledande, - elastomerkroppen vill repellera elektroderna. b) Anordningen kan göras mycket lágohmig pà grund av deformation av kontaktövergángen mellan elektriskt ledande elastomerkropp och elektrod. c) Minskade selektivitetsproblem i elektriska kretsar där det finns över- och underordnade skydd. d) Elementet àtergàr till initialresistansen efter Övergång _ fran_lagresistivt till högresistivt tillstànd. e) Enkel brytanordning, som eventuellt ej behöver vara försedd med ljusbàgsskärmar, om elektroderna mekaniskt kopplas till en konventionell till/fránslagsmekanism för strömbrytare, som i tilläge dà upprätthåller erforderligt tryck mellan elektrod(=kontakt) och elektriskt ledande elastomerkropp. f) Eliminerad svetsrisk dá en brytanordning enligt punkt e) ovan införes. 1 9) Vibrationsokänslig samt studsokänslig tillslagsfunktion. h) Möjlighet att justera känsligheten om trycket, som TU i) j) ' Ö al, 47Û ¿9o 11 upprätthàlles av tryckanordningen pà känt satt ar inställbart och kan varieras, varvid ett och samma kortslutningsskydd kan användas i ett utökat märkströmsomràde.

\ Mycket smà yttre dimensioner eftersom resistiviteten hos det elektriskt ledande elastomermaterialet kan fás mycket lag < l mohmcm Exklusiva drosslar kan elimineras i tyristorkretsar- _»- io 15 20 25 _ß 40 470 296 12 FIGURBESKRIVNING fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig. fig.

Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av utföringsexempel med hänvisning till bifogade ritningar,'där la-C 20a 20b \ ._ visar ett centralt snitt genom tre föredragna ut- föranden av en del av uppfinningen, vilken del väsentligen består av elektriskt ledande elasto- merkroppar samt elektroder; visar resistansen R som funktion av avståndet d mellan 2 elektroder, mellan vilka en elektriskt ledande elastomerkropp, med ett tvärsnitt av en halvcylinder, med radien r, komprimeras;_ visar ett utföringsexempel av ett strömbegräns- ningselement enligt uppfinningen inkopplat i en elektrisk krets; visar strömförloppet vid en kortslutning med ett element enligt figur 3; visar en jämförelse mellan X ildt kurvor för ett strömbegränsningselement enligt uppfinningen och ' konventionella skydd såsom smältsäkring öch effekt- brytare, MCCB; \v visar centrala snitt genom en elastomerkropp enligt uppfinningen med tillhörande elektroder, samt en repulsionsanordning; visar ytterligare varianter av utföranden på ström- begränsningselement enligt uppfinningen; visar ett snitt genom en anordning enligt uppfin- ningen för skydd mot överström; visar anordningen enligt fig. 20a inkopplad i en strömkrets; 10 15 20 fig. 20c fig. 2la fig. 21b fig. 22a och 22b fig. 23 fig. 24a och 24b fig. 24c fig. 25a-d 13 470 296 visar ett diagram avseende sambandet mellan i(A) och t(ms); visar en något modifierad utföringsform avseende anordningen enligt fig. 20a; visar anordningen enligt fig. 2la från den ena sidan; visar en anordning enligt fig. 20a och 21 vid ett modifierat utförande; visar anordningen enligt fig. 22 i ett modifierat utförande; visar en speciellt föredragen utföringsform av den nya anordningen; visar en kurva avseende sambandet mellan R(ohm) och X(m); visar arrangemang vid en ytterligare utföringsform N av den nya skyddsanordningen. _»- 10 15 20 7§ 30 iår 470 296 14 I figur 6 visas ett strömbegränsningselement enligt en anordning analog med den i fig lb visade, innehållande en' centralt anordnad kropp (10) i form av en homogen cylinder med diametern 3mm och längden 10mm av ett deformerbart elektriskt ledande elastomermaterial t ex bestående av 80 viktsprocent silverpulver och 20 viktsprocent silikonplast, samt tvá till kroppen tangerande, pá motstàende sida om kroppen (10) placerade, parallella elektroder(ll,l2)_ Elastomerkroppen(l0) har i detta utföringsexempel ett shoretal pà 40 enligt BS 903/A26. Elektroderna(ll,l2) bestàr av 0-7 mm tjocka _ vinklade plattor av försilvrad koppar- Elektroderna anligger mot kroppen (10) mha en fjäderanordning (14), som pá känt sätt genom fjäderverkan utövar ett tryck mot elektroderna (ll,l2 ), och därmed deformerar kroppens anliggningsytor (lO',lO") mot resp elektrod, en deformation av ca 30%- En repulsions- anordning (l3), beskriven i t ex GB l 519 559 eller GB l 489 010 kan ingà i anordningen för att öka känsligheten, eller att elektrodutformningen i sig, pga utformningen, ger upphov till repellerande elektrodynamiska strömkrafter. _ Repulsionsanordningen (l3) kan alternativt vara en självaktiverande magnetisk krets, tidigare beskriven i US 4 ' 513 270, anordnad att verka enbart pà en elektrod, och'riktad så att elektroderna sinsemellan vill separera pga magnetiska krafter eller elektrodynamiska strömkrafter- Resistansen över anordningen är 2mOhm. Dà anordningen utsättes för höga kortslutningsströmmar, företrädesvis mer än SOA speciellt mer än SOOA, ökar strömtätheten i de deformerade anliggningsytorna (l0',lO") varvid resistansen i elementet ökar till lOOmOhm eller mer. Detta är tillräckligt för att begränsa kortslutningsströmmar i làgspänningsanläggningar, som genom den föredragna anordningen i figur 6 och inkopplingen enligt »H 10 20 É-ßïê 15 478 figur 3, begränsas och ger ett ström-tiddiagrêw Gfllígï fíguf 4.

I figur 7 visas ett strömbegränsningselement enligt figur 6 och fig lc, där elastomerkroppen (20) till skillnad fràn i fig 6 inte är homogen. Ett hàl (9) har införts, som medför att elastomerkroppens deformation kan ökas till 30% eller mer bestämt av hálets dimensioner. Därmed kan elastomermaterial med relativt höga shoretal t ex 80 väljas- Speciellt lämpligt är att deformera kropp(20) sä att den därmed uppkomna konvexa anliggningsytan (9') är i fysisk kontakt med anliggningsyta (9").

I figur 8 visas en utföringsform av uppfinningen där tvâ elektriskt ledande elastomerkroppar (lOa,lOb) har staplats pà varandra, medan i fig 9 de elektriskt ledande elastomerkropparna (lOa,l0b) har placerats bredvid varandra- I figur lOa-b illustreras en anordning enligt uppfinningen, där en elektriskt ledande elastomerkropp (10) enligt fig 7 är anordnad mellan 2, parallellt med kroppen (10) längsgående elektroder (ll,l2)- Trycket mot elektroderna och elastomer- kroppens anliggningsytor (lO',lO") àstadkommes genom den tidigare beskrivna fjädrande tryckanordningen. _'- I figur ll illustreras en anordning enligt uppfinningen, där en elektriskt ledande elastomerkropp (10) är anordnad mellan 2 elektroder (ll, 12) enligt fig lOa-b. En ferromagnetisk repulsionkrets (13) omsluter de längsgående elektroderna(ll,l2) samt elastomerkroppen (10) och förstärker repulsionsverkan pá elektrod (ll) dà strömbegränsnings- elementet genomflytes av överströmmar. Trycket mot elektroderna och elastomerkroppens anliggningsytor (lO', lO") àstadkommes genom tidigare beskriven fjädrande tryckanordning.

I figur 12 visas en med fig lOa-b analog anordning, med skillnaden att den elektriskt ledande elastomerkroppen (10) är utformad sàsom en halvcylinder, och kan vara fast förankrad med en elektriskt ledande adhesiv till elektrod(l2) eller fšfi 10 15 ZÛ 470 296 anligga fritt. 16 I figur l3 illustreras en anordning enligt uppfinningen, där tvà elektriskt ledande elastomerkroppar (lOa,lOb) är anordnade mellan 2 elektroder (Ll,l2), mellan vilka ytterligare tvà elastomerkroppar (lOc) resp (lOd), som omsluter elektroderna (ll,l2), har placerats. Trycket mot elektroderna och speciellt de med konvexa ändytor försedda elastomerkropparna àstadkommes genom tidigare känd tryckanordning- I figur 14 illustreras ytterligare ett utförande enligt figur l2 och 9 av uppfinningen där de runt elektroderna (ll,l2) omslutande elastomerkropparna (l0c,l6a) respektive (l0e,l6b) utgöres av elektriskt ledande (lOc,lOe) respektive elektriskt isolerande (l6a,l6b) elastomermaterial- Elastomerkropparna (lOc,l6a) respektive (l0e,l6b) är med fördel dubbelgjutna, varvid elastomerkropparna blir sammanhängande, och elektroderna elektriskt isolerade. Elektriska anslutningar till elektroderna är inte utritade i figuren- I figur 15 illustreras en anordning enligt figur 6 och 7 enligt uppfinningen, där tvà stycken elektriskt 'isolerande krbppar'(15a, 15b) är anordnade parallellt med en elektriskt ledande elastomerkropp (lO)- Dà anordningen utsättes för ett tryck, symboliserat med kraften F verkande pà elektroderna (ll,l2), deformerasnkropp l0, och anligger därmed mot de elektriskt isolerande kropparnas begränsningsytor (l5a') och (l5b'). en elektrisk isolation, kortslutning, problem.

Därmed erhålles som förhindrar överslag vid samtidigt som den elektriskt ledande elastomerkroppen ej flyter ut, vilket annars är ett vanligt I figur 16 illustreras en anordning enligt uppfinningen där den elektriskt ledande elastomerkroppen (10), har flera konvexa deformerbara anliggningsytor (l0a',lOb',l0c'lOd'), bestående av flera integrerade elastomerkroppar enligt tidigare figurer- homogen.

Elastomerkroppen (10) är sammanhängande och flflft vw 10 15 20 as 30 296 4270 17 1 figur 17 illustreras en anordning enligt UDPfíÛnin9@n där den elektriskt ledande elastomerkroppen (10), har G0 KOHVGX deformerbar anliggningsyta i ett "splineutförande", bestaende av flera integrerade elastomerkroppar enligt tidigare figurer- 'l Elastomerkroppen (10) är alltsà sammanhängande, och flera konvexa ytor kan aktiveras genom att t ex trycket ökas med tryckanordningen (14)- I figur l8a-b illustreras en anordning enligt uppfinningen bestående av tva elektriskt ledande elastomerkroppar (20a,20b), med konvexa deformerbara anliggningsytor (20a',20b') samt 2 stycken elektroder (ll,l2). Elektroderna omslutes av koncentriska elektriskt ledande elastomeri kroppar(20a,20b), som med anliggningsytorna (20a',20b') anligger i fysisk kontakt med varandra. En tryckanordning (14) utövar ett tryck, som deformerar anliggningsytorna (20a',20b'). Elektroderna (ll,l2) är försedda med anslutningsorgan (31) resp (32).

I figur l9 illustreras en anordning enligt uppfinningen där de elektriskt ledande elastomerkropparna (lOal,lOa2,lOa3,lOa4) har med sina konvexa begränsningsytor orienterats vinkelrätt mot de elektriskt ledande elastomerkropparnas _ (l0bl,lOb2,lOb3,lOb4) konvexa begränsningsytor. 2 stycken elektrodef“fll,l2) ingår i anordningen för ledande av ström genom densamma, elektroder pà vilka en tryckanordning utövar ett tryck, som deformerar anliggningsytorna (lOal...lObl...)- Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsexemplen utan flera varianter är möjliga inom ramen för patentkraven. Exempelvis kan antalet på varandra staplade elektriskt ledande elastomerkroppar enligt figur 8 vara betydligt flera. 10 15 20 25 ü Läs 40 47Û 296 m I figur 20a illustreras en anordning där 2 polymerbaserade termistorer l5a och l5b inkopplats parallellt med elastomer- kroppen 10. Dessutom ingår en fix resistor 16a, 16b. Kopplings- schemat framgår av figur 20b där den streckade linjen 17- symboliserar hela andrdningen för överströmsskydd, dvs. elasto- merkropp, elektroder/ resistorer och termistorer.

Genom lämplig inbördes dimensionering av de ingående komponen- terna 10, 15 och 16 fungerar den polymerbaserade termistorn 15 som en "energy absorber" under kortslutning. Därmed överbe- lastas ej elastomerkroppen 10. Den fixa resistorn 16 kan då tillåtas vara mycket större än då termistorn 15 saknas. Detta inses genom följande energibetraktelse (jmf fig. 20c).

Magnetisk energi då strömmen når í1 är W1 = L*i1**2/2.

Magnetisk energi då strömmen når i2 är W2 = L*i1**2/2.

Magnetisk energi då strömmen når i3 är W3 = L*i3**2/2.

Energin, som absorberas av elastomerkroppen 10 under övergång från låg- till högresistivt tillstånd, är W1_2 = W1 -W2. Genom att den polymerbaserade termistorn kan tillåtas att vara lågresistiv under kommuteringsskedet blir W1_2 << W1-W3 = W1_3, där W1_3 är energin, som absorberas av elastomerkroppen 10 då den polymerbaserade termistorn saknas. Strömbegränsningselemen- tet enligt fig. 20 anpassas enkelt till kretsar där över- och- underordnade kortslutningsskydd förekommer, dvs. full selekti- vitet kan lätt uppnås i t.ex. dïstributionsanläggningar inom lågspänningsområdet. En ytterligare konsekvens av utförandet enligt fig. 20 är att elastomerkroppen 10 kan tillåtas bli tunnare, dvs avståndet mellan elektroderna 11 och 12 kan minskas. Detta faktum utnyttjas i utförandet i fig. 21.

I figur 21 illustreras en anordning enligt figur 20, där elastomerkroppen 10 är betydligt tunnare. Därmed förbättras värmeavgivningen från elastomerkroppen 10 till elektroderna samtidigt som effektutvecklingen, pga av den tunnare elastomer- kroppen, minskar. Detta medför att märkströmmen för strömbe- gränsningselementet kan tillåtas öka. I figur 21b visas ström- begränsningselementet sett från sidan. Elektroden 12 har "splittrats" upp i flera elektroder, 12', 12", 12'" samt 12"".

Därmed erhålles ett känsligare strömbegränsningselement under V) 10 15 20 25 :Ãso 40 M 470 296 kortslutning, då ju praktiskt taget adiabatiska förhållanden råder. Känsligheten ökas genom den "ventilverkan" som antyds med strömmarna 30 i figur 21 samt ytorna 31 där strömförträng- ning sker. ( _ I figur 22a illustreras en anordning enligt figur 20-21, där den fixa resistorn 15 utgöres av 2 excitationsspolar eller en känd slagstiftsanordning, vilken förekommer i t.ex. automatsäk- ringar (=MCB). Slagstiftsanordningen eller excitationsspolarna påverkar ett kontaktsystem (50) direkt (40) - eller indirekt - (41) via en mekanism enligt figur 22b, så att kretsen bryts upp- i I figur 23 illustreras en anordning enligt figur 22._Till skillnad från vad som gäller i figur'22 verkar excitâtionsspo- larna/slagstiftsanordningen på åtminstone 1 elektrod (11, 12).

Detta symboliseras med pilen (45) i figur 23. En inbördes förskjutning av elektroderna sker därmed under kortslutning.

Elastomerkroppen "motioneras" därmed, vilket visat sig vara fördelaktigt map t.ex. återgångstiden till lågresistivt till- stånd. Givetvis kan även vissa varv hos spolarna vara inkoppla- de i serie med elastomerkroppen för att därmed öka känslighetenv hos elastomerkropp 10 (se fig. 23b (45')( och 45")).

I figur 24 (a-c) visas en speciellt föredragen utföringsform på en polymërbaserad termistor (lšå) l5b) i anordningen. Resistan- sen hos ett infinitesimalt element med tvärsnittsytan dA varierar såsom antyds av kurvan i figur 24c. Under kortslutning övergår polymermaterialet i (15) först i angränsande zoner till elastomerkroppen (10) från låg- till högresistivt tillstånd.

Förloppet fortgår tills hela termistorn (15) är "genomtrippad", om kretsen dessförinnan ej bryts. Härmed erhålles en mjuk kommutering av strömmen (jmf fig. 20a-c) och en förbättrad energiabsorberande termistor.

I figur 25a-d illustreras ett utförande av uppfinningen där en intern excitationsanordningen'(13) realiseras genom en spiral- utformning av elektroderna (11) och 12). Därmed uppträder repulsionskrafter, Fr, mellan elektroderna (11) och (12) då elektroderna genomflytes av kortslutningsströmmar. Repulsions- 4?e 296 20 krafterna vill därmed separera elektroderna sinsemellan, vilket resulterar i en ökad känslighet hos överströmsskyddet. Genom att införa speciella anslutningsorgan, 19a och l9b, erbjuds möjlighet att variera känsligheten hos kaskadkopplade element, vilket framgår av fid. 25c-d. I fallet seriekoppling' blir repulsionskraften Fsflapproximativt 4 ggr så stor som vid parallellkoppling, Fp vid samma ström, itot.

Claims (13)

Uw- 10 15 20 25 40 21 470 296 Patentkrav

1. För skydd mot överström i elektriska kretsar avsedd anordning, vilken innefattar minst en elektriskt ledande kropp (10) samt två för matning av kretsströmmen genom denna avsedda elektroder (11, 12), Vilka - var och en direkt eller“via en mellandel - på motsvarande ställen anligger mot kroppen (10), varvid en tryckanordning (14) åstadkommer anliggningstryck, k ä n n e t e c k n a d av; att kroppen (10) innefattar elastomermaterial och att kroppen (10) och/eller minst en elektrod/mellandel i tryckobe- lastat tillstånd är buktad men deformerad genom tryckanord- ningen vid respektive anliggningsställe vid tryckbelastning, så att anliggningsytan minskar vid passerande överström, varvid - när det gäller nämnda deformering - även elektroden/mellandelen ska innefatta elastomermaterial; 1 samt av att anordningen även innefattar en resistor (15a, 15b, 16a, 16b) och/eller en kondensator i parallellkoppling med den av elastomermaterial bestående kroppen (10).

2. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att i densamma ingående elastomerkroppar har shoretal mellan 20-80.

3. Anordning enligt något av kraven 1 och 2, t e c k n a d (15).

4. Anordning enligt kravet 3, av att resistorn är en polymerbaserad termistor k ä n n egt e c-k n a d av att tërmistorn har en ökandê°resistanskaraktäristik (18).

5. Anordning enligt något av kraven 1-4, k ä ñ n e - t e c k n a d att det av tryckanordningen påförda anliggningstrycket före- av att tryckanordningen (14) kan fjädra samt av trädesvis är justerbart.

6. Anordning enligt något av kraven 1-5, k ä n n e - t e c k n a d excitatíonsanordning, vilken inkluderar åtminstone en spole av att åtminstone en resistor (16) är en (16', 16") för påverkan av en kontaktanordning (50) och/eller en av elektroderna (11, 12).

7. Anordning enligt något av kraven 1-6, k ä n n e - t e c k n a d fjädermekanism med två mekaniskt stabila jämviktslägen, till av att tryckanordningen (14) utgöres av en respektive från, samt att åtminstone en elektrod (11a) är mekaniskt sammanhängande med fjädermekanismen (14) för galva- k ä n n e -N m 15 20 25 470 296 A n nisk frånskíljning mellan elektrod (11) och (12).

8. Anordning enligt något av kraven 1-7, t e c k n a d att de under inverkan av kortslutningsströmmar vill sinsemellan y _ k ä n n e - av att elektroderna (11, 12) är utformade så repellera.

9. Anordning enligt något av kraven 1-8, k ä n n e - t e c k n a d ferromagnetiska kretsar (13), som vill förstärka repelleríngen av att elektroderna (11, 12) är försedda med mellan elektroderna.

10. Anordning enligt något av kraven 1-10, k ä n n e - t e c k n a d av att åtminstone en av elektroderna (11, 12) är uppdelad i flera elektroder (12', 12", l2'“, 12""), av vilka minst en täcker en begränsad delyta (31) av elastomerkroppens totala begränsningsyta (32). _

11. Anordning enlígt'något av kraven 1-10, k'ä n n e - t e c k n a d rade över elektroderna (11, 12). av att elastomerkroppar (20a, 20b) är expande-

12. Anordning enligt något av kraven 1-11, k ä n n e - t e c k n a d komprimering av kroppen (10) uppgår till minst 5%, företrädes- av att av tryckanordningen (14) åstadkommen vis till 5-40%, då kroppen är homogen.

13. Anordning enligt något av kraven 1-12, t e c k n a d (9)- av att elastomerkroppen (20) har en hålighet k ä n n e - _