DE2510322A1

DE2510322A1 - Kaltleiter-bauelement

Info

Publication number: DE2510322A1
Application number: DE19752510322
Authority: DE
Inventors: Anton Dr Menth; Peter Dr Streit
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1975-02-11
Filing date: 1975-03-10
Publication date: 1976-08-19
Also published as: DE2510322C2; CH581377A5; DE7507461U

Description

Kaltleiter-Bauelement Die Erfindung betrifft ein passives elektrisches Bauelement mit zwei Anschlüssen und einem positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine besondere Verwendung desselben, Bauelemente der genannten Art sind als. Kaltleiter bekannt (z.B. DT-OS 2'242'767). Sie sind bei niederen Temperaturen gute, bei höheren Temperaturen schlechte Leiter. Sie werden z.B. als Temperaturfühler verwendet, oder werden z.B, in Schalteinrichtungen zur Unterstdtzung des mechanischen Schalters beim Unterbrechen eines Stromkreises eingesetzt (z.B.
US-PS 2'978'505 für BaO und BaTiO3, DT-AS 1'204'302).
Aus der Grundlagenforschung ist es bekannt (z.B. J. Phys.
(Paris) 32, 1971, S. C1-1079 bis C1-1085, Phys. Rev. Lett.
23 (15 Dez.69), 1384-1387, Phys. Rev. B 7 (1 March 1973), 1920-1931), dass Chrom-dotiertes Vanadium-Sesqui9xid der nominellen Zusammensetzung (V0.99Cr0.01)2O3 bei etwa minus 1000C aus einem isolierenden, antiferomagnetischen Zustand sprunghaft in einen metallisch leitenden Zustand übergeht, und von diesem metallisch leitenden Zustand bei etwa Zimmertemperatur in einen magnetisch ungeordneten Isolator-Zustand.
Dieses Material konnte jedoch bis heute in technischen Bauelementen nicht verwendet werden.
Ganz allgemein konnte aber bisher noch keines -der bekannten Kaltleiter-Bauelemente dort erfolgreich eingesetzt werden, wo es galt, grös-sere Nennströme und/oder -Leistungen zu beeinflussen, insbesondere zu schalten. Das ko-mmt vorwiegend daher, dass die bekannten Kaltleiter-Bauelemente auch in ihrem "gut" leitenden Zustand noch einen so grossen Widerstandswert aufweisen, dass sich bei Belastung mit Nennstrom untragbare Verluste ergeben. Ausserdem ist die Spannung8beständigkeit der bekannten Kaltleiter-Bauelemente- nur gering.
Andererseits besteht aber schon lange ein grosses Bedürfnis nach-preiswerten und raumgünstigen elektrischen Bauelementen mit positivem Temperaturkoeffizienten für grössere N.nnstrflwts und/oder Leistungen, die beispielsweise anstelle von oder auch zusammen mit herkömmlichen Schmelzsicherungen oder Sicherungsautomaten einen derartigen Netzschutz gewährleisten, dass im Kurzschlussfall einerseits der Durchlasswert möglichst gering ist, andererseits aber die Ansprechkarakteristik so, dass keine untragbaren Schaltüberspannungen entstehen und die Möglichkeit eines Selektivschutzes besteht.
Es ist die Aufgabe-der vorliegenden Erfindung, ein Bauelement zu schaffen, welches dem oben genannten Bedürfnis abhilft, wobei das Bauelement insbesondere als Ueberstromsicherungselement eingesetzt werden soll, und dabei insbesondere kleine Durchlasswerte angestrebt werden, sowie eine grosse Anpassungsflexibilität hinsichtlich der Betriebsdaten und der Netzschutz-Selektoivität, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei dem elektrischen Bauelement der eingangs genannten Art der stromführende Körper aus Vanadium-Sesquioxid (V203) mit einem Zusatz von 0.1-5 Mól-t eines anderen Metalloxids besteht.
Vorzugsweise soll -der stromführende Körper die nominelle Zusammensetzung (Vl-xCrx)2O3 mit 0.005 # x # 0,02 aufweisen und ein Sinterkörper mit einer Dichte von mehr als 3 g/cm sein, der mit zwei gróssflächigen Metall-Elektroden ohmisch (sperrfrei) kontaktiert ist.
Ein solches Bauelement weist einen steilen Anstieg des elektrischen Widerstandes mit wachsender Temperatur auf-. Wenn dieser Anstieg bei einer mittleren Temperatur Tc stattfindet, so liegt Tc für x # 0,005 bei etwa 80 C und für xh 0.0i bei 0 etwa 0 C. Tc verschiebt sich also zu kleineren Werten mit zunehmender Chrom-Dotierung. Andererseits ist der elektrische Widerstand eines solchen Bauelementes bei Nennstrombelastung hinreichend gering.
Wenn ein solches Bauelement bei Nennströmen von etwa 15 A bis etwa 100 A, und Betriebsspannungen um 220 V eingesetzt wird, so sind in der Tat Durchlasswerte von 1000-17'000 A² sec erzielbar, was bisher nicht möglich war. Bei den vorgenannten Betriebsdaten liegt der Durchlasswert eines herkömmlichen Sicherungsautomaten ("Deion"-Schalter) bei etwa 30'000 A2sec.
Dabei wird das Bauelement in den Strompfad des abzusichernden Netzteils geschaltet, und die Kühlung des Elementes und das Element selbst werden derart gestaltet und dimensioniert, dass bei Ueberströmen die entstehende Verlustwärme das Bauelement vor Ablauf einer halben Periode der Speisespannung auf eine Temperatur oberhalb Tc bringt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt: Fig. 1 ein Bauelement nach der Erfindung im Längsschnitt, Fig. 2 den spezifischen Widerstand ' eines Bauelementes nach der Erfindung in Abhängigkeit von der Temperatur T des-stromführenden Körpers, Fig. 3 den idealisierten Verlauf des elektrischen Widerstandes R eines in einem Strompfad liegenden Bauelementes nach der Erfindung in Abhängigkeit von der Zeit t beim Auftreten eines Kurzschlussstromes, Fig. -4 eine Kaskadeschaltung dreier verschieden dimensionierter Bauelemente nach der Erfindung mit zugehöriger R(t)-Kurve bei Kurzschluss, Fig. 5 ein Bauelement nach der Erfindung mit trapezförmigen Längsschnitt und zugehöriger R(t)-Kurve bei Kurzschluss, Fig. 6 ein Bauelement nach der Erfindung mit einer konkaven Stirnfläche und zugehöriger R(t)-Kurve bei Kurzschluss, Fig. 7 ein Bauelement nach der Erfindung mit einer konvexen Stirnfläche und zugehöriger R(t)-Kurve bei Kurzschluss, Fig. 8 ein Bauelement nach der Erfindung in Serie mit einem Schalter, Fig. 9 ein Bauelement nach der Erfindung mit seriell liegendem Schalter und parallel liegendem Festwiderstand, Fig. 10 ein Bauelement nach der Erfindung mit einem seriell und einem parallel liegenden Schalter, und Fig. 11 ein Bauelement nach der Erfindung mit einem parallel liegenden Festwiderstand und einem parallel liegenden Schalter, sowie einem seriell liegenden Schalter.
Das in Fig. 1 dargestellte Bauelement nach der Erfindung weist einen stromführenden Körper 1 auf, der-aus-gesintertem (VO 995 Cr ) 20 -Pulver besteht, zylindrische Gestalt hat., und 0,005 3 an beiden Stirnflächen auf der ganzen Fläche mit,Metallelektroden 2 und 3 ohmisch bzw. sperrfrei kontaktiert ist.
Die Elektroden 2,3 bestehen aus Kupfer oder auch Hartlot. Sie sind auf den Sinterkörper 1 auflegiert. Dabei wird zwischen den Sinterkörper 1 und die Elektroden 2,3- eine dünne Schicht Titan aufgebracht, z.B. durch Aufdampfen von Titan auf den Sinterkörper. Dadurch entsteht bei der Legierung an der Kontaktstelle zwischen Elektrode und Sinterkörper eine titanoxidhaltige Vanadiumoxid-Schicht, die gut leitend ist. Anstatt das Titan in metallischer Form aufzudampfen, kann es auch in Form von Titanhydrid, TiH2, auf den Sinterkörper aufgebracht werden, welches sich beim Auflegieren der, Elektroden zu Titan zersetzt.
Anstatt die Elektroden 2,3 auf den Sinterkörper 1 aufzulegieren, können sie in bekannter Weise auch aufgelötet, aufgepresst, aufgesprüht oder aufgedampft werden wobei immer darauf zu achten ist, dass sie mit dem Sinterkörper einen gut leitenden ohm'schen Kontakt bilden. Zum Aufdampfen wird mit Vorteil auch Nickel-Chrom 60/40 als Elektrodenmaterial verwendet.
Auf seiner Mantelfläche weist der Sinterkörper 1 eine isolierende Schutzschicht 4 z.B. ausEpoxiharz auf.
In innigem Kontakt mit den Elektroden 2,3 sind Kühlkörper 5,6 z.B. aus Kupfer oder Aluminium vorgesehen. Bei kleineren Bauelementen kommen auch Kühlbleche oder Kühlrippen in Frage, bei-grdsseren Elementen kann die Kühlung auch mittels einer geeigneten Kühlflüssigkeit, z.B. Wasser, erfolgen.
d2# Sowohl die Fläche F = des Querschnitts des Sinterkörpers 4 1, als auch seine Länge 1 sind von grosser Bedeutung für die Ansprechkarakteristik des Bauelementes. Dabei bestimmt das Verhältnis 1/F den Widerstand -des Bauelementes im kalten Zustand, während das Produkt 1.F bei gegebener Dichte seine Masse bestimmt und-damit seine thermische Trägheit festlegt.
Für kleine Werte von l/F hat das Bauelement zwar im kalten Zustand einen kleinen Widerstand, so dass die Verlustleistung unter Strombelastung gering ist. Jedoch schaltet das Element bei einsetzendem Kurzschlussstrom nur relativ langsam auf höhere Widerstandswerte, so dass der erreichbare Durchlasswert noch relativ gross ist.
Für grosse Werte von 1/F ist demgegenüber der elektrische Widerstand und damit die bei Strombelastung entstehende Verlustleistung grösser, jedoch schaltet das Element vie-l schneller, und es sind extrem kleie Durchlasswerte erzielbar.
Unabhängig von kaltwiderstand kann die Ansprechgeschwindigkeit und die Belastbarkeit des Bauelementes durch. Veränderung seiner Masse bei einer für die Praxis zweckmässigen Konstanz der Dichte also seines Volumens, variiert werden.
Für Niederspahnungssicherungen liegt die Masse des- Sinterkörpers vorteilhaft zwischen 1 und 20 g.
Die Durchlasswerte QO sind wie folgt definiert: wobei i(t) der den Sinterk-örper 1 durchtretende, von der Zeit t abhängige elektrische Strom ist, t0 der Zeitpunkt des Einsetzens des Kurzschlussstromes, und t der Zeitpunkt der 5 Unterbrechung des Strompfades, wenn also i(t) = O geworden ist.
Entsprechend ist der Ansprechwert Qa wie folgt definiert: mit ta = Zeitpunkt des Einsetzens der Widerstandsänderung des Bauelementes.
Neben 1/F und 1.F hat ,auch die Art der Kühlung -einen Einfluss auf Q und QO, ferner die Gestalt des Sinterkörpers 1, und die Art der Schaltung im Strompfad.
Die Zusamjtiensetzung (Vl-xCrx)2O3 mit 0,005 # x # 0,02 ist deshalb besonders vorteilhaft, weil damit die für die Praxis wichtigen Bauelemente ohne besondere Kühlung für tiefere Temperaturen erzeugt werden können.
Bevor jedoch weitere elektrische Eigenschaften, Wirkungen und Verwendungsmöglichkeiten des Bauelementes nach der Erfindung angegeben werden, sollen zunächst zwei Beispiele für die vorteilhafte Herstellung zweier Bauelemente nach der Erfindung angegeben werden: Beispiel 1 Es soll ein Bauelement hergestellt werden, dess-en stromführender Körper 1 nominell aus (V0,995Cr0,005)203 besteht. Nominell bedeutet dabei, dass die angegebene Zusammensetzung sich auf die eingewogene Menge bezieht.
Dazu wird Vanadium-Pentoxid (V2 0 ) in reduzierender Atmosphäre, 5 z.B. Wasserstoff-Atmosphäre, geheizt, und damit zu Vanadium-Sesquioxid (V203) reduziert. Die Temperatur beträgt zuerst während 2 Stunden 6000C, dann während 6 Stunden 10000C.
Das so gewonnene V203-Pulver wird mit Cr203-Pulver zu 0,5 Soll% innig gemischt und in einer Kugelmühle nass gemahlen.
Das erhaltene Gemisch wird hydrostatisch oder uniaxial zu kreiszylindrischen Bauelementen der gewünschten Querschnittsfläche E und Länge 1 gepresst, wobei beim Mahlen zugesetztes Polyäthylenglykol aßs Presszusatz die Festigkeit des Presskörpers erhöht.
Das Pressen gesehieht bei einem Druck von etwa 2-3 k-bar.
Danach wird der Presskörper in einer Atmosphäre mit kontrolliertem Sauerstoff-Partialdruck bei hoher Temperatur gesintert. Dabei wird, gleichzeitig mit der Sinterung, auch eine homogene Verteilung des Chroms erreicht. Zwecks Aufrechterhaltung eines sehr kleinen und konstanten Sauerstoff-Partialdrucks wird eine zusammengesetzte Atmosphäre verwendet, wobei sich ein Gasgemisch von H2/H20 oder CO/CO2 als vorteilhaft erwiesen hat.
Als Sintertemperatur wird z.B. 1400 0C und als Sinterdauer z.B. 24 h gewählt. Unter diesen Bedingungen ist Vanadium-Sesquioxid bei Sauerstoff-Partialdrücken zwischen 10-6 und 10'15,5 atm stabil.
Um grosse Dichten und gute Festigkeit der Sinterkörper zu erreichen, wird der Sauerstoff-Partialdruck vorteilhaft so gewählt, dass er nur wenig grösser ist als die sauerstoffarme Grenze des Stabilitätsbereiches von V2O3 bei der gewählten Sintertemperatur. Dies wird z.B. dadurch erreicht, dass reiner Wasserstoff durch Wasser der Temperatur 0 0C geleitet wird.
Die so erreichbaren hohen Dichten und Festigkeiten machen es überhaupt erst möglich, das Chrom-dotierte'Vanadium-Sesquioxid für ein Bauelement der in Rede stehenden Art zu verwenden.
Nach Fertigstellung d'es Sinterkörpers 1 wird dieser, 2. B.
durch Legieren, wie weiter oben beschrieben, mit den grossflächigen Metallelektroden 2,3 kontaktiert.
Beispiel 2 Es soll ein Bauelement hergestellt werden, dessen stromführender Körper 1 nominell aus (V0,992 Al0,008)203 besteht.
Dazu wid genau so verfahren, wie im Beispiel 1 beschrieben, lediglich mit dem Unterschied, dass dem V203--Pulver anstelle von Cr203 ein Teil Al 203 beigemischt wird.
Bauelemente nach der Erfindung können mit besonderem Vorteil als thermisch gesteuerte Ueberstromsicherungselemente verwendet werden, wobei die Temperatur des Sinterkörpers 1 durch entsprechende Steuerung der durch den elektrischen Strom (t) erzeugten Verlustwärme und angepasste Wärmeableitung über die Kühleinrichtung sich zwischen 200C und 200 0C bewegt.
Die Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes> (#cm) von der Temperatur T (OC) des Sinterkörpers 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei besteht der Sinterkörper 1 aus (V0,995Cr0,005) 2°3 einer Dichte von 5 g/cm³. T0 ist die Betriebstemperatur bei Nennstrombelastung und T die mittlere Temperatur, bei c welcher das Element "schaltet".
In Fig. 3 ist oben das Schaltsymbol des Bauelementes nach der Erfindung dargestellt, ein sich mit der Temperatur gleichsinnig ändernder nichtlinearer Widerstand. Wird dieses Bauelement mit einem elektrischen Nennstrom belastet, welcher beim Zeitpunkt t0 in einen Kurzschlussstrom übergeht, so spricht das Element nach einer Verzögerungszeit t im Zeitpunkt ta an und schaltet - im hier dargestellten idealisierten Fall -. sprunghaft vom Nennwiderstand RN auf seinen Kurzschlusswiderstand RK Das Verhältnis RN/RK wird als Widerstandshub .bezeichnet und beträgt bei den in Rede stehenden Bauelementen zwischen 20 und 1000.
- Eine Anpassung der Bauelemente an die Betriebsdaten ( Nennstrom, Betriebsspannung), - eine geeignete Ansprech- und Schaltcharakteristik zwecks Vermeidung von zu grossen Schaltüberspannungen und Durchlasswerten QO, und - die Möglichkeit eines Selektivschutzes werden erreicht - durch die Formgebung und/oder Dimensionierung des Sinterkörpers 1, - die Auslegung und Anordnung der Kühlung., und/oder - die Kombination mit ohm'schen Wid-erständen ùnd/oder Schaltern.
Diese Möglichkeiten sind, mit Ausnahme der Kühlung, in den Figuren 4 bis 11 dargestellt: In Fig. 4 ist eine Kaskadenschaltung aus unterschiedlichen Bauelementen gemäss der Erfindung dargestellt. Die Elemente sind derart ausgebildet, dass sie nacheinander ansprechen, wie in der Kurve dargestellt wird. Es wird eine zeitliche Aus schmierung des Schaltens gegenüber den intrinsischen Materialeigenschaften erreicht, ohne dass sich jedoch beim vollständigen Durchschalten aller Elemente der totale Widerstandshub ändert.
Eine ähnliche zeitliche Aus schmierung des Schaltens ergibt sich durch eine geeignete Formgestaltung des Sinterkörpers 1, wie dies in den Figuren 5 bis 7 dargestellt ist. Wie ersichtlich, kann nicht nur die Dauer des Durchschaltens beeinflusst werden, sondern auch die Ansprechcharakteristik im einzelnen.
Bei den in den Figuren 5 bis 7 dargestellten Sinterkörpern handelt es sich um wie gezeigt gestaltete Scheiben.
Der Widerstandswert RK, den das Bauelement gemäss der Erfindung bei Kurzschlussstrom annimmt, reicht aus, um den Kurzschlussstrom kurzzeitig (innerhalb einer Halbwelle) stark zu -reduzieren. Es kann jedoch mit dem Bauelement keine galvanische Trennung erreicht Werden. Zudem würde ein Weiterfliessen des Reststromes in der Regel zu einer weiteren, unter Umständen unzulässigen ErwärmUng des Bauel-ementes führen.
Die Bauelemente werden daher in der Praxis zum Netzschutz zusammen mit Schaltern verwendet.
In Figur 8 liegt das Bauelement in Serie zu einem solchen Schalter S. Durch die Verwendung des Bauelementes R ergibt sich der grosse Vorteil, dass der Schalter S nicht als Leistungsschalter mit Lichtbogenlöschkammer ausgebildet sein muss, sondern ein einfacher Leerschalter sein kann. Das Bau-' element R sorgt dafür, dass der nach Trennung der Schaltstücke über den Lichtbogen fliessende Strom sehr schnell-' herabgesetzt wird und die nach dem Nulldurchgang wiederkehrende Spannung keine Wiederzündung bewirken kann, oder mit anderen Worten, der Folgestrom beim nächsten Nulldurchgang unterbrochen wird.
Eine besonders bevorzugte Schaltungsform ist,-in Fig. 9 dargestellt. In dieser ist zum Bauelement R ein Festwiderstand R p parallel geschaltet. Auf diese Weise wird vermieden, dass das Bauelement R nach dem Schalten in den hochohmigen Zustand thermisch überlastet wird. Der Schalter S kann wiederum sehr einfach ausgebildet sein.
In Fig. 10 ist statt des parallelen Festwiderstandes R der p Fig. 9 ein thermisch oder magnetisch aus lösbarer Schalter 5 p vorgesehen. Auf diese Weise trägt das Bauelement R im-Nennstromfall überhaupt keinen Strom. Erst wenn im Kurzschlussfall dr Schalter Sp ausgelöst wird, kommutiert der Strom auf das Element R welches dann seinen Widerstands wert erhöht und ein weitgehend lastfreies Schalten des Schalters S ermöglicht.
Der Kaltwiderstand des Bauelementes R ist dabei so gewählt, dass beim Auslösen des Schalters 5 in diesem kein Lichtp bogen entsteht.
In Fig. 11 ist eine Kombination der Schaltungsformen aus Fig.
9 und 10 dargestellt.
In allen Ausf;lhrungsfórmen der Fig. 8 - 11 kann der Schalter S auch spannungsaufbauend, z.B. ein Deion-Schalter, sein, und damit am Strombegrenzungsprozess teilnehmen.
Nachfolgend werden die Schaltungsformen der Fig. 9 und 11 anhand von Dimensionierungsbeispielen weiter erläutert: Beispiel Eine Schaltung wie in Fig. 11 wurde wie folgt dimensioniert und betrieben: Netz bei Nennbelastung: Ieff = 100 A, Veff = 220 V, f = 50 Hz N N Netz bei Kurzschluss: eff IK = 6000 A, cos # = 0,85, RNetz = 31.2 m a, LNetz = 61,5 H.
Auslöseintegral-Schalter Sp: Parallelwiderstand Rp = 1,0 # Schalter S: Galvanischer Trenner, ohne Spannungsaufbau Bauelement R: Form: Kreiszylinder Dichte s = 5 g/cm ³ Spezifische Wärme c = 0,8 Wsec/g grd Spezifischer Widerstand bei Nennstrom # N = 5 # 10-2#cm Querschnittsfläche F = 2,7 cm Länge 1 = 9.4 mm 3 Volumen V = 2.54 cm Masse M = 12.7 g T0 # 200C (Tmax c Tc)/(Tc - To) = 5 mit Tmax = maximale Temperatur, welcher das Bauelement im Kurzschlussfall unterworfen ist.
Kaltwiderstand RN = 17,55 m Widerstandshub h = RKIRN = 25 Keine besondere Kühlung.
E s ergab sich als Durchlasswert und als Ansprechwert D as dargestellte Beispiel betrifft symmetrische Kurzschl,ussphasenwinkel, also etwa den ungünstigsten Fall. Beim Ansprechen des Schalters 5 beträgt der Spannungsabfall nur p 20 V, so dass kein Lichtbogen in diesem Schalter entsteht.
Das Beispiel zeigt, dass bei dem vorgegebenen. Netz die Forderung QO = 17'000 A²sec mit einem Widerstandshub h = 25 durch die Schaltung gemass Fig. 11 gerade erfüllt werden kann. Bei geringfügig grösserem Hub (etwa h # 30.) kann jedoch auf den Parallelwiderstand R verzichtet werden,wie in p Fig. 10 dargestellt, bei gleichem QO.
Beispiel B Eine Schaltung wie in Fig. 9 wurde wie folgt dimensioniert und betrieben: Netz bei Nennbelastung: eff = 16 A, Veff = 220 V, f = 50 Hz N N Netz bei Kurzschluss: eff IK = 1000 A, cos d = 0,85, Netz - 187 m 1l, LNetz = 369 µH.
Parallelwiderstand R = 643 m ii p Schalter S: Nulldurchgangs-Trennschalter ohne Spannungsaufbau Bauelement R: Form: Kreiszylinder 3 Dichte s = 5 g/cm Spezifische Wärme c = 0,8.Wsec/g grd Spezifischer Widerstand bei Nennstrom 9 N = 5 # 10 -2#cm Querschnittsfläche F = 1,25 cm Länge 1 = 4,38 mm Volumen V = 0,548 cm3 Masse M = 2,74 g To # 500C (TmaX - Tc )/(Tc - T0) = 5 Kaltwiderstand RN = 17,53 Widerstandshub h = 200.
E s ergab sich als Durchlasswert QO # 1000 A2²sec und als Ansprechwert Q : 500 A2sec.
a Die Verlustleistung im Element R bei Nennstrom beträgt NO = 4,5 W und muss von einer Kühleinrichtung abgeleitet werden, sodass sich die Temperatur des Elementes nicht auf über T erhöht.
0 Das Beispiel zeigt, dass man bei einem Widerstandshub von h = RK/RN = 200 bei kleineren Nennströmen <1N # 25A), also bei der überwiegenden Zahl der Endsicherungen in Verteilernetzen, eine wirksame Unterdrückung der Kurzschlussströme erreichen kann. Der Schalter S hat keine weitere Aufgabe als die Unterbrechung des Folgestromes beim nächsten Nulldurchgang.
Eine Halbwelle hat bei prospektivem Kurzschlussstrom ein QO = 10'000 A2sec. Prospektiver Kurzschlussstrom ist der ungehinderte Kurzschlussstrom nach dem Einschwingen.
Beispiel C Eine Schaltung wie in Fig. 9 wurde wie folgt dimensioniert und betrieben: Netz bei Nennbelastung: wie in Beispiel B Netz bei Kurzschluss: Ieff = 6000 A, cos # = 0,85, K Netz = 31,2 mA, LNetz = 61,6 tH Parallelwiderstand R = 280 m p Schalter S: wie im Beispiel B Bauelement R: Form, Dichte, spezifische Wärme, spezifischer Widerstand bei Nennstrom, Widerstandshub und O' (Tmax TC)/(Tc - To) wie in Beispiel B-.
- 2 Querschnittsfläche F = 2,58 cm Lange 1 = 2,45 mm Volumen V = 0,63 cm3 Masse M = 3,16 g Kaltwiderstand RN = 4,7,5 m Es ergab sich als Durchlasswert QO L 16'140 A2 und als Ansprechwert Qa = 11'000 A2 sec.
Die Verlustleistung im Element R bei Nennstrom beträgt NO = 1,2 W und muss von einer geeigneten Kühleinrichtung abgeführt werden, damit sich die Temperatur des Elementes nicht auf über T 0 erhöht.
Eine Halbwelle hat bei prospektivem Kurzschlussstrom 360'000 A2sec.
Beispiel D Wenn höhere Verlustleistungen NO im Element R zugelassen sind, so kann der Durchlasswert QO wesentlich weiter hinunter gedrUckt werden.
Das zeigt folgende Umdimensionierung des Beispiels C: Parallelwiderstand R = 652 m p Bauelement R: Querschnittsfläche F = 1,40 cm2 Länge 1 = 2,67 mm 3 Volumen V = 0,374 cm Masse M = 1,87 g Ka;ltwiderstand RN = 9,5 (Alle nicht genannten Werte sind gleich denen in Beispiel C.) Es ergab sich 41s Durchlasswert Q0 # 4565 Å sec und als Ansprechwert Q = 4000 A sec.
Die Verlustleistung im Element R bei Nennstrom beträgt NO = 2,4 W und muss von einer geeigneten Kühleinrichtung abgeführt werden, damit sich die Temperatur des Elementes nicht auf über To erhöht.
Wie besonders aus-den Beispielen C und D ersichtlich ist, Können bei gleichbleibenden. Netzparametern durch verschiedene Dimensionierung der Bauelemente R und R der Ansprechwert a p und der Durchlasswert QO in weiten Bereichen variiert werden.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, verschiedene Stufen gemäss Fig. 9 mit guter Selektivität hintereinander zu schalten, d.h. beim Ansprechen einer Stufe bleiben die anderen zunächst leitend. Dazu wird der Durchlasswert QO der Ansprechstufe kleiner gemacht als der Ansprechwert Q der vorgeschalteten Stufen. Bei grösseren Nennströmen IN> 25 A wird in Schaltungen nach Fig. 9 bei einem Widerstandshub h s 200 mit einem einfachen Nulldurchgangs-Trennschalter S entweder der Durchlasswert QO oder der Leistungsverlust Ng bei Nennstrom unzulässig hoch. Wenn jedoch anstelle des Trennschalters ein spannungsaufbaue'nder Leistungsschalter verwendet Wird, so unterstützt dieser die Strombegrenzung wirksam und entlastet damit das Element' R. Solche Hybrid-Systeme, die aus widerstandsaufbauenden Bauelementen-nach der Erfindung und spannungsaufbauenden Schaltern zusammengesetzt sind, lassen sich bis zu wesentlich höheren Nennströmen erfolgreich einsetzen. Bei Schaltungen wie in Fig. 9 liegt die obere Grenze bei etwa 100 A, bei Schaltungen wie in Fig. 11 ist eine Schalten von mehreren 1000 A prinzipiell möglich, wobei nur der Schalter S spannungsaufbauend ist. Grundsätzlich sind zwei Möglichkeiten der gegenseitigen Anpassung möglich: - Das Bauelement R spricht zuerst an und der Schalter S unterdrückt danach den Folgestrom so, dass das Element R thermisch nicht überlastet wird.
Der Schalter S spricht zuerst an und das Element R unterstützt danach den Spannungsaufbau im Schalter S durch seinen Widerstandshub.
Eine optimale gegenseitige Unterstützung der beiden Elemente S und R ergibt sich bei annähernd gleichzeitigem Ansprechen.

Claims

Patent ansprüche

Passives, elektrisches Bauelement mit zwei Anschlüssen und einem positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten, dadurch gekennzeichnet, dass der stromführende Körper (1) aus Vanadium-Sesquioxid (V203) mit einem Zusatz von 0.1-5 M<i-% ein-es- anderen Metalloxidsbesteht.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stromfUhrende Körper (1) die nominelle Zusammensetzung (V1 xCrx)2°3 mit 0,005 # x # 0,02 aufweist.
3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stromführende Körper (1) die nominelle Zusammensetzung (V1 yAly)203 mit 0,005 # y # 0,02 aufweist.
Ii. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stromftlhrende Körper (1) ein -Sinterkörper ist.
5. Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterkörper eine zylindrische oder prismatische Form aufweist, und die Stirnflächen auf ihrer ganzen Fläche sperrfrei mit Metallelektroden (2, 3) kontaktiert sind.
6, Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sinterkörper und den Metallelektroden (2, 3) ein unter Erwärmung an der Kontakt fläche des Sinterkörpers (1) ein gut leitendes Metalloxid bildendes- Metall vorgesehen ist.
7. Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall zwischen dem Sinterkörper und den Metallelektroden (2, 3) Titan vorgesehen ist.
8. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Kühleinrichtung (5, 6) aufweist.
9. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Sinterkörpers grösser ist als 3 g/cm³.
10. Bauelement nach den Ansprüchen 2, 4, 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Sinterkörpers zwischen 1 , und 20. g liegt.
11. Bauelement nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen des Sinterkörpers (1) zueinander nicht parallel und/oder-keine Ebenen sind.
12. Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Vanadiur-Sesqudoxid (V203) mit dem gewünschten Zusatz des anderen Metalloxids gemahlen, die erhaltene Mischung anschliessend gepresst und gesintert, und der erhaltene Sinterkörper dann mit den Metallelektroden kontaktiert wird,
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein V203-Pulver durch Heizen von V205 in reduzierende Atmosphäre erzeugt wird,
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass V O.3- und Cr 203-Pulver innig gemischt und anschliessend 23 nass gemahlen werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14-, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung zusammen mit einem Presszusatz, z.B.

Polyäthylenglykol, gepresst wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Presskörper in einer Atmosphäre mit kontrolliertem Sauerstoff-Partialdruck bei einer Temperatur von über 10000C während mehr als 0,5 h gesintert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff-Partialdruck wenig grösser ist als die sauerstoffarme T.imite des Stabilitätsbereiches von V203 bei der gewählten Sintertemperatur.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Aufrechterhaltung des sehr kleinen, konstanten Sauerstoff-Partialdruckes als zusammengesetzte Atmosphäre ein Gasgemisch aus IS2-H2O oder CO-CO2 verwendet wird.
19. Verwendung eines Bauelementes nach Anspruch 2 als thermisch gesteuertes Ueberstromsicherungselement bei Temperaturen des stromführenden Körpers (1) zwischen 200C und 2000C.
20. Verwendung nach Anspruch 19, derart, dass das Bauelement als Ueberstromsicherungselement in einem Wechselstromnetz bei Anstieg des Netz stromes auf den maximalen Kurzschlussstrom vor Ablauf einer halben Periode der Wechselspannung eine Aenderung seines Wirkwiderstandes um mehr als den PaktorPO aufweist.
21. Verwendung nach Anspruch 19, derart dass das Durchlassintegral des durch den temperaturabhängigen Widerstand geschützten Netzteils filr Nennströme im Bereich von 6 - 100 A, Betriebsspannungen von 50 - 400 V, einen prospektiven Kurzschlussstrom von maximal 6000 A und einem Kurzschluss-Leistungsfaktor cos # # 0,85 kleiner ist als 17000 A2 sec, wobei t0 = Zeitpunkt des Stromanstiegs, t = Zeitpunkt der Strompfadenunterbrechung, und 1(t) 5 Netzstrom.
22. Verwendung eines Bauelementes nach Anspruch 19 zusammen mit einem in Serie geschalteten Schalter.
23, Verwendung nach Anspruch 22 zusammen mit einem zu dem Bauelement parallel geschalteten ohm'schen Widerstand.
24. Verwendung nach Anspruch 23 zusammen mit einem zu dem Bauelement und dem ohm'schen Widerstand parallel geschalteten Schalter.
25. Verwendung nach Anspruch 22 zusammen mit: einem zu dem Bauelement parallel geschalteten Schalter.
26. Verwendung nach Anspruch 1Q im Selektiv-Netzschutz. wobei das Durchlassintegrål 2 i2(t) dt und das Ansprechintegral J i (t) dt des Bauelementes durch Formgebung und/oder a

Dimensionierung des isiomfGhrenden Körpers den Selektivitäts- Forderungen angepasst wird, wobei t = Zeitpunkt des Strom-0 anstiegs, t5 = Zeitpunkt der Strompfadenunterbrechung, ta = Zeitpunkt des Ansprechens des Bauelementes, und i(t) = Netzstrom.
27. Verwendung nach Anspruch 23, wobei der Schalter ein spannungsaufbauender Schalter ist.