EP0936632B1

EP0936632B1 - Widerstandselement

Info

Publication number: EP0936632B1
Application number: EP98811217A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dr. Glatz-Reichenbach; Ralf Dr. Strümpler; Jörgen Dr. Skindhoj; Felix Dr. Greuter
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1998-01-09
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: EP0936632A1; CN1226733A; DE19800470A1; DE59804235D1; ATE218242T1; CN1143324C; US6157290A

Description

Die Erfindung betrifft ein Widerstandselement gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige sogenannte PTC-Widerstände weisen einen bei einer bestimmten Schaltstromdichte um mehrere Grössenordnungen ansteigenden Widerstand auf und werden zur Strombegrenzung, vor allem im Kurzschlussfall, eingesetzt.

Die starke Steigerung des Widerstands bei Erreichen der Schaltstromdichte wird dadurch bewirkt, dass aufgrund der durch erhöhte Energieaufnahme bewirkten Erwärmung und Ausdehnung der Polymermatrix die eingebetteten leitenden Teilchen des ersten Füllstoffes getrennt werden. Es hat sich dabei als nachteilig erwiesen, dass dieser Effekt die Tendenz hat, sich in einer Schaltzone, die sich zwar über den Querschnitt des Widerstandselements erstreckt, aber in Stromrichtung verhältnismässig kurz ist, zu konzentrieren, so dass die gesamte Spannung über eine kurze Strecke abfällt und der überwiegende Anteil der umgesetzten elektrischen Energie in einem sehr kleinen Volumen anfällt. Dies kann leicht zu Lichtbogenbildung und Beschädigung des Widerstandselements führen. Ausserdem wird die Haltespannung des Elements, d. h. die Spannung, die es nach Unterbrechung eines Kurzschlusses ohne zu grossen Leckstrom halten kann, dadurch herabgesetzt.

Es wurde auch bereits versucht, das diesbezügliche Verhalten derartiger Widerstandselemente dadurch zu verbessern, dass dem Material ein zweiter Füllstoff mit Varistorcharakteristik beigemischt wurde. Aus der US-A-5 313 184 etwa ist ein gattungsgemässes Widerstandselement bekannt, das 5 bis 30%(Vol.) Varistormaterial in Pulverform als zweiten Füllstoff aufweist. Die Erwartungen betreffend eine Verbesserung der Spannungsfestigkeit des Widerstandselements wurden jedoch nicht in vollem Umfang erfüllt.

US-A-4,910,389 beschreibt ein Widerstandselement mit PTC-Verhalten mit einer Polymermatrix und zwei in diese Matrix eingebetteten pulverförmigen Füllstoffen, von denen der eine ein elektrisch gutleitender Leitfähigkeitsruss ist und Partikelgrössen von 20 bis 250 mµ aufweist und der andere dotiertes ZnO oder ein anderes halbleitendes Material ist und Partikelgrössen bis zu 1 µ aufweist. Das Verhältnis der Teilchengrössen von Leitfähigkeitsruss zum halbleitenden Material kann 1:5 bis 1:20 betragen. Ein solches Widerstandselement zeichnet sich durch grosse Stabilität aus, da sich dessen spezifischer Widerstand auch nach mehreren PTC-Übergängen nur geringfügig ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gattungsgemässe Widerstandselemente derart weiterzubilden, dass ihre Spannungsfestigkeit wesentlich erhöht wird.

Diese Aufgabe wird durch durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Bei erfindungsgemässen Widerstandselementen erfolgt eine weitgehende Kommutierung des Stroms auf den zweiten Füllstoff im Bereich von Stromdichten und entsprechenden Feldstärken, wie sie typischerweise im Schaltbereich des Widerstandselements auftreten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ausbildung einer schmalen Schaltzone nicht zu einer sofortigen Stromunterbrechung - eventuell gefolgt von Lichtbogenbildung oder einem Durchschlag - führt, sondern dass der Strom über die Teilchen des zweiten Füllstoffs kurzzeitig weiter fliesst und sich dabei die Schaltzone so weit verbreitert, dass sie auch hohe Spannungen ohne Beschädigung des Widerstandselements zu tragen vermag.

Die dadurch erzielten Vorteile liegen vor allem darin, dass wesentlich höhere Kurzschlusspannungen unterbrochen werden können und dass auch die Haltespannung wesentlich höher liegt als bei bekannten gattungsgemässen Widerstandselementen. Die diesbezüglichen Leistungen erfindungsgemässer Widerstandselemente können sonst nur mittels aufwendiger Serienparallelschaltungen von Widerstandselementen und Varistoren erzielt werden.

Im folgenden wird nun die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Versuchsergebnissen dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1: den Versuchsaufbau, mit denen die weiter unten geschilderten Ergebnisse gewonnen wurden.

Es wurden mehrere Mischungen hergestellt, indem jeweils 50%(Vol.) einer Matrix aus dem Polyäthylen HX5231 der BASF mit 30%(Vol.) eines ersten Füllstoffes, und zwar TiB₂-Pulver der Elektroschmelze Kempten, bei welchem die Partikelgrössen über ein Intervall von 10-30 µm verteilt waren und 20%(Vol.) eines zweiten Füllstoffs vermischt wurden. Lediglich bei einer Referenzprobe Ref wurden 50%(Vol.) des ersten Füllstoffes zugemischt und kein zweiter Füllstoff. Im folgenden werden die Proben nach dem zweiten Füllstoff bezeichnet. Im einzelnen:

ZnO: ZnO-Pulver
Var: Pulver aus Varistormaterial, d. h. mit verschiedenen Metalloxiden dotiertes ZnO
ZnO+: Pulver aus mit Al dotiertem ZnO
SiC+f (fein): Pulver aus mit Al dotiertem SiC, Teilchengrössen 45-75 µm
SiC+m (mittel): Pulver aus mit Al dotiertem SiC, Teilchengrössen 90-125 µm
SiC+g (grob): Pulver aus mit Al dotiertem SiC, Teilchengrössen 150-212 µm

Das mit Al dotierte SiC wurde von der Elektroschmelze Kempten bezogen. ZnO wurde von Merck bezogen und dotiert. Aus den Mischungen wurden Widerstandselemente hergestellt und Versuche durchgeführt, indem sie in eine Schaltung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, eingebaut und Kurzschlusströmen ausgesetzt wurden. Dazu wurde jeweils ein Kondensator C auf 300V, 850V bzw. 1'200V aufgeladen. Die Dimensionierung des Kondensators C und der in Reihe geschalteten Induktivität L wurden jeweils so gewählt, dass ein Kurzschlussstrom von 12'000A, bezogen auf 50Hz resultierte. Der Kurzschlussstrom wurde durch Schliessen eines Schalters S bei aufgeladenem Kondensator C erzeugt. Dem geprüften Widerstandselement PTC war stets ein Varistorelement Var als Ueberspannungsschutz parallelgeschaltet. Neben der Messung elektrischer Parameter wurden auch Aufnahmen der Widerstandselemente mit einer Thermokamera gemacht, die es erlaubten, die Energieverteilung, insbesondere die Länge der Schaltzone sowie allfällige Beschädigungen festzustellen. Vorgängig wurden ein oder zwei Werte für Feldstärke, Stromdichte und spezifischen Widerstand der als zweiter Füllstoff verwendeten Pulver bei einer Temperatur von 25°C und einem Elektrodenanpressdruck von 9,38MPa ermittelt.

Die bei den Versuchen gewonnenen Resultate sind der Tabelle am Ende der Beschreibung zu entnehmen. Leere Felder in dieser Tabelle bedeuten 'nicht anwendbar', '\', dass kein Versuch gemacht wurde, '-', dass das Widerstandselement bei der Messung beschädigt wurde, und '+', dass das Widerstandselement den Versuch unbeschädigt überstand, aber kein Messwert ermittelt wurde.

Aus den Versuchsergebnissen lässt sich ablesen, dass für eine Ausdehnung der Schaltzone der spezifische Widerstand des zweiten Füllstoffs, gemessen am Pulver bei ausreichend grossem Elektrodenanpressdruck - er sollte möglichst einige MPa/cm² betragen - für die Länge der Schaltzone und damit für eine breite Energieverteilung wesentlich ist. Er sollte auf jeden Fall weit unter den Werten für die zum Vergleich ausgemessenen Pulver aus undotiertem ZnO und aus Niederspannungs-Varistormaterial, das durch Sintern aus D70 der Firma Merck als Ausgangsmaterial hergestellt wurde, liegen. Möglichst sollte er bei Feldstärken, wie sie im liegen. Möglichst sollte er bei Feldstärken, wie sie im Schaltbereich gewöhnlich auftreten - 2'000V/cm und darüber - höchstens 50Ωcm betragen, vorzugsweise jedoch höchstens 20 oder besser 15Ωcm, Werte, wie sie an Pulvern von mit Al dotiertem ZnO und SiC gemessen wurden.

Ebenfalls von beträchtlicher Bedeutung sind die Teilchengrössen. Sind die Teilchen des zweiten Füllstoffs nicht oder nur unwesentlich grösser als die des ersten Füllstoffes, so dürften sie zur Ueberbrückung nach Trennung der Teilchen desselben im Schaltbereich nicht ausreichen. Der zweite Füllstoff kann seine Funktion nicht im erforderlichen Ausmass erfüllen. Die durchschnittliche Teilchengrösse des zweiten Füllstoffes sollte also diejenige des ersten Füllstoffes deutlich übertreffen, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 2. Bei verhältnismässig grobkörnigem zweitem Füllstoff dagegen zeigt sich eine unregelmässige Stromverteilung im Schaltbereich, die zu hohen lokalen Energieaufnahmen führt und sich ungünstig auf die Spannungsfestigkeit des Widerstandselements auswirkt. Der Faktor, um den die durchschnittliche Teilchengrösse des zweiten Füllstoffes diejenige des ersten Füllstoffes übertrifft, ist daher höchstens 5.

Für das Material des ersten Füllstoffs ist natürlich auch eine andere Wahl möglich als das angegebene TiB₂, z. B. TiC, VC, WC, MoSi₂. Wichtig ist, vor allem im Interesse guter Kaltleiteigenschaften, ein niedriger spezifischer Widerstand. Er sollte möglichst nicht höher als 10^-3Ωcm sein. Auch für den zweiten Füllstoff ist, wie oben ausgeführt, der spezifische Widerstand entscheidend wichtig. Der spezifische Widerstand des Materials sollte möglichst nicht kleiner als 10^-2Ωcm sein. Der spezifische Widerstand sein, damit das Widerstandselement eine hohe Haltespannung mit geringem Leckstrom halten kann. Erst bei den im Schaltbereich des Widerstandselements auftretenden Feldstärken von mindestens 2'000V/cm sollte er auf die weiter oben angegebenen verhältnismässig tiefen Werte abfallen, d. h. das Pulver sollte eine ausgeprägte Varistorcharakteristik aufweisen. Ausser mit Al-dotiertem SiC oder ZnO sind die verschiedenen Anforderungen an den zweiten Füllstoff auch mit SiC oder ZnO, das mit B, Ga, In oder N, P, As dotiert ist, erfüllbar oder mit anderen entsprechend dotierten Halbleitern. Für die Polymermatrix wird ein Thermoplast wie z. B. HD-Polyäthylen oder ein Duromer bevorzugt.

Beim ersten Füllstoff sollten die Teilchengrössen im Interesse eines raschen Ansprechens gering sein und vorzugsweise im wesentlichen, zwischen 10 µm und 40 µm liegen. Beim zweiten Füllstoff sollten sie, wie erwähnt, höher sein, vorzugsweise zwischen 50 µm und 200 µm. Die Zusammensetzung des Widerstandskörpers kann natürlich von der in den Versuchen eingesetzten abweichen. Bevorzugt werden Anteile von 30 bis 70 Vol. % für den ersten Füllstoff und zwischen 10 und 40 Vol. % für den zweiten Füllstoff, wobei sie jedoch zusammen nicht mehr als höchsten 90 Vol. % der Mischung ausmachen.

Claims

Elektrisches Widerstandselement mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten Widerstandskörper aus einer Polymermatrix, einem ersten pulverförmigen Füllstoff mit Teilchengrössen im wesentlichen zwischen 10 µm und 40 µm und aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand von höchstens 10^-3Ωcm und mit einem zweiten pulverförmigen Füllstoff, der einen mit zunehmender Feldstärke abnehmenden spezifischen Widerstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Teilchengrösse des zweiten Füllstoffs über derjenigen des ersten Füllstoffs liegt und diejenige des ersten Füllstoffs höchstens um den Faktor 5 übertrifft, und dass der spezifische Widerstand des zweiten Füllstoffs bei Feldstärken ≥2'000V/cm nicht grösser als 50Ωcm ist.
Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand des Materials des zweiten Füllstoffs mindestens 10^-2Ωcm beträgt.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Teilchengrösse des zweiten Füllstoffs diejenige des ersten Füllstoffs mindestens um den Faktor 2 übertrifft.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Füllstoff im wesentlichen aus mindestens einem der folgenden Stoffe besteht: Pulver von dotiertem SiC, Pulver von dotiertem ZnO.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnete dass die Teilchengrössen des zweiten Füllstoffs im wesentlichen zwischen 50 µm und 200 µm liegen.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Füllstoff im wesentlichen aus Pulver von TiB₂, TiC, VC oder WC besteht.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix im wesentlichen aus einem Thermoplasten, insbesondere einem HD-Polyäthylen oder aus einem Duromer besteht.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des ersten Füllstoffs am Widerstandskörper zwischen 30 und 70 Vol. % beträgt.
Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zweiten Füllstoffs am Widerstandskörper zwischen 10 und 40 Vol. % beträgt.