Hochleistungssehmelzsicherung für niedere und mittlere Spannungen. Hochleistungssicherungen für niedere und mittlere Spannungen (das heisst Spannungen bis zu mag. 3000 Volt) haben die Aufgabe, besonders grosse Kurzschlussströme, beispiels weise 50 000 A und mehr, mit Sicherheit zu unterbrechen. Um angeschlossene Apparate zu schützen und besonders um Selektivität mit Sicherungen grösserer Nennstromstärke, die im Strompfad nach der Spannungsquelle hin liegen, zu erreichen, soll bei allen Kurz schlussströmen, auch bei schwersten, die Löschzeit kurz sein.
Die Löschzeit darf aber anderseits nicht so kurz werden, dass die bei der Stromabnahme entstehende Induktions spannung übermässig gross -vvird und zu einer Gefährdung der Anlage führt.
Die Erfindung bezieht sich auf Hoch leistungsschmelzsicherungen für niedere und mittlere Spannungen mit in körniges Lösch mittel eingebettetem, stellenweise geschwäch- tem Schmelzleiter. Erfindungsgemäss sind die geschwächten Stellen im Schmelzleiter in sol cher Anzahl vorhanden und derart bemessen, dass bei Verwendung der Sicherung in induk tiven Stromkreisen und bei Abschaltung von Überströmen, die den dreifachen Wert des Nennstromes überschreiten, die Summe der an den Enden dieser zuerst schmelzenden,
ge schwächten Stellen im unmittelbaren An schluss an die Lichtbogenbildung auftreten den Teilspannungen grösser ist als die Nenn spannung der Sicherung, jedoch kleiner als das Dreifache der Nennspannung. Für den Verlauf des Löschvorganges gelten folgende Zusammenhänge: Die Brennspannung des Abschaltlicht- bogens einer Schmelzsicherung wird auf gebracht durch die Summe von Netzspannung und Gegenspannung, die in den Induktivi- täten des Kurzschlusskreises bei der erzwun genen Stromabnahme erzeugt wird.
Der ohm- sche Spannungsabfall ist von dieser abzu ziehen. Der Abschaltvorgang in der Siche rung ist beendet, wenn die benötigte Brenn- spannung am Lichtbogen grösser wird als die Summe der treibenden Spannungen, Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, dass es bei gegebenem Kurzschlussstromkreis einen bestimmten, günstigsten Verlauf des Lösch vorganges gibt. Es ist bekannt, dass der Ab lauf des Löschvorganges durch die Form gebung der Schmelzleiter beeinflusst werden kann.
Dies gilt insbesondere für Sicherun gen, bei. denen der Schmelzleiter in ein kör niges Löschmittel eingebettet ist. Auf Grund von Versuchen hat sich herausgestellt, dass sich die Eigenschaften des körnigen Lösch mittels während des Löschvorganges ändern. Durch diese Veränderung wird wiederum der Verlauf des Löschvorganges beeinflusst.
An Hand von Figuren sollen nun zunächst die Löschvorgänge bei einigen bekannten Schmelzleiterformen näher erläutert werden.
In Fig. 1 ist ein Schmelzleiter von gleich mässigem Querschnitt dargestellt, der draht- oder bandförmig ausgeführt sein kann. Das Schmelzband ist mit 11 bezeichnet, 21, 22 sind die Anschlussfahnen zur Befestigung an den Kappen der Sicherung. Beim Auftreten einer hohen Kurzschlussstromstärke schmilzt dieser Leiter praktisch auf der ganzen Länge gleichzeitig und der Lichtbogen entsteht. dem gemäss im gleichen Zeitpunkt auf der ganzen Strecke L zwischen den beiden durch die An schlussfahnen 21 u*d 22 gegebenen Elektro den.
Das körnige Löschmittel ist im Augen blick der Entstehung des Lichtbogens in des sen Umgebung noch überall kalt (im Ver gleich zur Schmelztemperatur) und frisch und besitzt an allen Stellen eine gleich gute hohe Löschfähigkeit. Es entsteht infolge dessen längs des Lichtbogens auf der Strecke L eine gleichmässige Potentialverteilung. Die Spannung verläuft dann beispielsweise nach der Geraden a in Fig. 4.
Die Elektroden spannung L';, n,;" muss praktisch<I>sofort</I> vom Stromkreis aufgebracht werden; damit ist die Entstehung einer sehr hohen Überspannung verbunden. Tritt dagegen ein Kurzschluss- strom geringerer Höhe auf, so schmilzt der Leiter zunächst an irgend einer Stelle, die etwa zufällig thermisch etwas höher be lastet ist als die Umgebung, und breitet sich von dieser Stelle aus nach beiden Seiten hin allmählich aus.
Um zu erreichen, dass der Lichtbogen an einer vorbestimmten Stelle ent steht, hat man häufig dem Schmelzleiter die in Fig. 2 und 3 beispielsweise dargestellten Formen gegeben, bei denen der Querschnitt an einer bestimmten Stelle, meist in der Mitte, schwächer ist als an den übrigen Stel len.
Bei diesen Schmelzleitern entsteht also der Lichtbogen bei Überstrom oder Kurz schluss in der Mitte und gewinnt von hier aus nach beiden Seiten hin an Ausdehnung, in dem er die seinen Fusspunkten benachbarten Schmelzleiterteile nach und nach weiter weg schmilzt. Während der ganzen Löschzeit ist das Löschmittel in der Nachbarschaft der Entstehungsstelle des Lichtbogens bereits hoch erhitzt. Mit kühlem undfrischem Lösch mittel kommen also nur die Lichtbogenfuss- punkte in Berührung.
Da nun das Lösch- mittel durch die Erhitzung seine Löschwir kung zum grossen Teil verliert, so ist das Spannungsgefälle in der Mitte des Licht bogens verhältnismässig gering und hat nur in der Nähe der Lichtbogenfusspunkte seine ursprüngliche Höhe. Daraus ergibt sich ein Verlauf der Spannung an der Unterbre chungsstrecke, der in der Kurve b in Fig. 4 für den Fall dargestellt ist, dass die Licht bogenfusspnnkte an den Elektroden 21 und 22 angelangt sind.
Die höchste Spannung LTu ",;1, an den Elektroden des Lichtbogens ist also hier kleiner als in dem nach Fig. 1, Kurve a dargestellten Fall, gleichen Leiter querschnitt an den ungeschwächten Stellen vorausgesetzt. Die Kurve b besteht aus drei Teilen verschiedener Steigung. Die beiden Teile b1 an den Lichtbogenfusspunkten haben infolge der guter.
Löschfähigkeit des um gebenden, noch nicht erwärmten Sandes ein hohes Spannungsgefälle. Zwischen ihnen liegt der Teil b2, der nur eine flache Steigung be sitzt, weil das Löschmittel hier infolge der starken Erhitzung bereits seine Löschwir- kung zum grossen Teil eingebüsst hat.
Ver suche haben ergeben, dass bei fortschreitender Wanderung der Lichtbogenfusspunkte von der Entstehungsstelle aus die Länge der Teile b, an denen das hohe Spannungsgefälle vor- handen ist, annähernd konstant bleibt, wäh rend der mittlere Teil b2 mit der gesamten Unterbrechungsstrecke zwischen den Licht bogenfusspunkten zunimmt.
Für die Errei chung der Gesamtspannung, die der Licht bogen zur Stromunterbrechung aufnehmen muss, sind also im wesentlichen die Stellen b, massgebend, während der Einfluss der Länge des mittleren Teils und damit der Einfluss der Gesamtlänge des Schmelzstreifens ver hältnismässig gering ist.
Auf dieser Erkenntnis fusst nun die Er findung. Sie bezweckt nämlich, beim An sprechen der Sicherung auf Überstrom nicht nur zwei Stellen b, mit hohem Spannungs gefälle entstehen zu lassen, sondern eine .Mehrzahl dieser Stellen hintereinander anzu ordnen. Wenn bei einem Überstrom die Summe der Lichtbogenteilspannungen, die sich an den geschwächten Stellen an den An schlussfahnen 21 und 22 ergeben, grösser wird als die Nennspannung der Sicherung bezw. die Betriebsspannung des Netzes, reisst der Lichtbogen dann rasch ab.
Praktisch wird man die Sicherung so bauen, dass die für die sen Vorgang zur Verfügung stehende Zeit, die von den Grössen des Kurzschlusskreises abhängt, zwischen den Grenzen, die einer seits durch Selektivitätsbedingungen (sehr kurze Löschzeit) und anderseits durch die höchstzulässige Überspannung (längere Lösch- zeit) gegeben sind, liegt. Entsprechend diesen Grössen ist die Anzahl der notwendigen Schwä chungsstellen im Schmelzleiter zu wählen.
Es sind zwar bis jetzt Schmelzsicherun gen bekannt, bei denen der Schmelzleiter ab wechselnd starken und schwachen Quer schnitt besitzt. Bei diesen bekannten Siche rungen entstehen die Lichtbögen ebenfalls an den geschwächten Stellen. Die Teile grösseren Querschnittes sollen durch dynamische Blas- wirkung fortgeschleudert werden können. Die Schmelzstreifen dürfen deshalb nicht in ein körniges Löschmittel eingebettet sein. In folgedessen fehlt den bekannten Sicherungen die durch das eigentümliche Verhalten des körnigen Löschmittels begründete Lösch wirkung.
Weiterhin ist es bekannt geworden, Schmelzleiter mit mehreren Verjüngungen zu versehen, jedoch lediglich zu dem Zweck, durch Schaffung grosser Kühlflächen lange Abschmelzzeiten bei geringen Überströmen zu bewirken. Da bei diesen Sicherungen ein gasförmiges oder flüssiges Füllmittel ver wendet werden soll, so fehlt ihnen ebenfalls die Wirkung, wie sie bei der Verwendung eines körnigen Löschmittels auftritt.
Die Erfindung unterscheidet sich von den bekannten Sicherungen, bei denen die Anzahl der Schwächungsstellen ganz unbestimmt bleibt, auch durch die besondere Bemessung der Zahl der geschwächten Stellen, wodurch ein sicheres Abschalten in möglichst kurzer Zeit ermöglicht, jedoch gleichzeitig durch Vermeidung unzulässiger Überspannungen die Gefährdung der Anlage verhindert wird.
Die richtige Anzahl der geschwächten Stellen ist von verschiedenen andern Grössen abhängig, z. B. von der Anordnung und von den Abmessungen der geschwächten Stellen, von der Grösse und Form des Schmelzleiter querschnittes an den ungeschwächten Stellen, vom Schmelzleitermetall, von den Anschluss- fahnen und ihrer Anordnung, von der Wärmeleitfähigkeit und Löschfähigkeit des Löschmittels, von der Oberflächengestalt des Sicherungskörpers und anderem mehr.
Der Einfluss aller dieser Grössen auf die Wärme verhältnisse der Sicherung im Normalbetrieb sowie beim Ansprechen ist an sich bekannt. Bei gegebener Sicherungsbauart kann die richtige Anzahl der geschwächten Stellen durch Versuch leicht gefunden werden. In Fig. 5 ist beispielsweise ein derartiger Schmelzleiter mit vier Schwächungsstellen abgebildet. In Fig. 6 ist ein bestimmter Au genblick während der Löschzeit nach dem Ansprechen der Sicherung herausgegriffen. Die an den geschwächten Stellen entstan denen Lichtbögen brennen zwischen den stehengebliebenen Stellen 14, 15, 16, 17, 18 des Schmelzleiters.
Von dem Löschmittel 19 sind die die Mitte der Lichtbögen umgeben den Teilmengen bereits zu Schmelzraupen 23, 24, 25 und 26 zusammengesintert. Die Span- nun-- an dem Schmelzstreifen verläuft in folgedessen beispielsweise nach der ausge zogenen Kurve in Fig. 7. Der Massstab dieser Figur ist sowohl senkrecht wie auch waag recht von dem der Fib. 1 verschieden.
Die Kurve nach Fig. 7 hat in cler gezeichneten schematischen Darstellung eine Ireppenfiir- mibe Gestalt. Die flachen Stellen entsprechen den stehengebliebenen Teilen 11 bis l8 bezw. hocherhitzten Sehmelzräumen ?3 bis ?(;. Zwi- sehen den flachen Teilen liegen die Teile hohen Spannungsgefälles. welche den Li.cht- bogenfusspunkten entsprechen.
Die Licht bögen besitzen insgesamt die Suminenspa.n- nung Z', die nach der Erfindun-, in unmittel barem Anschluss an die Lichtbogenbildiiiig höher ansteigen soll als die Netzspannung in der Anla;g-e beträgt, in der die Sicherung ein gebaut ist. Werin dagegen die Sicherung, wie es bekannt ist, nur ezj@e)z Einschnitt orle,r ;iucli nur eine infolge von @abril;;
ationsur@genauig- keiten besonders schwach ausgefallene Stelle gehabt hätte, so würde nur ein einzi-ei- Lichtbogen entstanden sein, dessen Fuss punkte von der Entstehungsstelle nach bei den Seiten weitergewandert wären.
)Vene diese Fusspunkte dann die gleiche Entfer nung erreicht hätten, wie die äussersten Licht bogenfusspunkte gemäss Fig. G, so würde der Spannungsverlauf an dem Schmelzstreifen etwa der gestrichelten Kurve in Fig. 7 ent sprechen, wobei eine bedeutend geringere Gc- samtspannung L', erreicht worden wäre.
Eine derartige Sicherung müsste also für gleiche Betriebsspannung länger gebaut sein als die Sicherung nach der Erfindung, bei welcber durch Schwächung des Schmelzleiters an mehreren Stellen die U nterbrechungsspan- riung Z' erreicht wird.
Will man bei einem bestimmten Beispiel einer Hochleistungssicherung für niedere und mittlere Spannungen, deren Schmelzleiter in ein körniges Löschmittel eingebettet und sIel- lenweise geschwächt ist, das Vorhandensein der Erfindungsmerkmale feststellen, so kann man folgendermassen vorgehen:
lIan baut die Sicherung in einen Prüfstromkreis ein, wel cher praktisch den Verhältnissen des Be- entspricht, und beschickt die Sicherung mit einem Überstrom, der min- desten3 den. dreifachen Wert des Nennstro mes ausmacht. Man nimmt dabei den Ab schaltvorgang oszillographisch auf, und zwar misst man insbesondere den Verlauf der sich an der Sicherung ausbildenden Spannung.
Den sich hierbei ergebenden Höchstwert, der der Summe der Teilspannungen entspricht, vergleicht man finit der Nennspannung. Dar aus ergibt sich unmittelbar, ob dieser Wert zwischen dein Einfachen und dem Dreifachen des Wertes der Neinispannung liegt bezw. ob die Sicherung den Merkmalen der Erfindung entspricht.
Eine besonders einfache Bauart ergibt sich, wenn die geschwächten Stellen des Schmelzleiters alle die gleiche Gestalt und die gleichen Abmessungen haben und in gleich mässigen Abständen über die Schmelzleiter länge verteilt sind. Der Schmelzleiter kann dann in Form eines endlosen Bandes herge stellt sein und für verschiedene Spannungen einfach auf passende Länge abgeschnitten werden. Derartige Schmelzleiter sind bei spielsweise in Fig. 5 und 8 bis 10 abgebildet.
Es ergibt sich bei dieser Sclimelzleiterform hei Auftreten -von Kurzschlüssen geringerer Stromstiirl@e noch der besondere Vorteil, dass wegen des Wärmegefälles von der Mitte des Schmelzleiters nach den Enden hin nicht simtliche geschwächten Stellen schlagartig gleichzeitig durchschmelzen, sondern in.
- allerdings ausserordentlich geringen Zeitabständen nacheinander. Der gleiche Vor gang gestaffelter Abschmelzzeiten tritt bei allen vorkommenden Xiirzschlussströmen immer dann auf, wenn der Schmelzleiter durch den Betriebsstrom vorbelastet ist und infolgedessen in der Mitte eine höhere Dauer temperatur als an den Enden aufweist.
Die Staffelung der Abschrnelzvorgänge in sehr kurzen Zeitintervallen ist ein ausserordentlich wirksames Mittel, um den zeitlichen Verlauf der Unterbrechung de.s Kurzschlussstromes so zu steuern, dass die entstehenden Überspan nungen am ungefährlichsten werden.
Ist es umgelkehrt erwünscht, gerade bei Berücksichtigung betriebsmässiger Vorbela stung der Sicherung möglichst schlagartiges Einsetzen des Löschvorganges an allen Lei terstellen zu erzwingen, etwa um bei schwer sten Kurzschlüssen mit kürzesten Löschzeiten auszukommen, so muss man den Querschnitt des Schmelzleiters von der Mitte nach den Enden zu allmählich schwächen, wie es bei spielsweise in der Fig. 11 dargestellt ist. Oder man muss dafür sorgen, dass die Wärme abfuhr in radialer Richtung von der Mitte des Schmelzleiters aus besser als von den En den aus wird.
Die Querschnittsschwächung kann vorteil haft durch Aussparungen in Form von Lang löchern bewirkt werden, wie es Fig. 10 an einem Beispiel zeigt. Es ergibt sich dann eine besonders. grosse Abschaltleistung aus folgen dem Grunde. Der Lichtbogen soll zum Bei spiel gemäss Fig. 12 aus einem Schmelzleiter 27 mit einer Aussparung 28 eine Strecke L herausgebrannt haben. Der Durchmesser der ausgestanzten Stelle 28 sei klein gegen L.
Die Spannungsverteilung ist über der Figur aufgetragen, und zwar werde die Spannung U3 als Elektrodenspannung erreicht. Fig. 13 gibt die Verhältnisse bei gleichem Strom, gleichem Leiterquerschnitt usw. wieder, nur soll statt der kreisförmigen Aussparung 28 ein Langloch 29 verhältnismässig grosser ach- sialer Länge vorhanden sein.
Wenn der Licht bogen die gleiche Strecke L ausgebrannt hat wie in Fig. 12, so ist die erreichte höchste Brennspannung U4 grösser als U3 in Fig. 12. Diese Erscheinung ist dadurch begründet, dass der Lichtbogen im Fall der Fig. 13 in zwei parallelen Zweigen brennt, also in in nigerer Berührung mit dem Löschmittel steht, ferner weil die Stromdichte in den Teillicht bögen ausserdem infolge der endlichen Breite und- der grossen Länge der Aussparung stark erhöht ist.
Mit der dadurch erhöhten Span nung an den Teillichtbögen ist aber eine Er höhung der Abschaltleistung der Sicherung verbunden. Es können auch mehrere Lang löcher nebeneinander so angeordnet werden, dass mehr als zwei Lichtbögen parallel bren nen. Man wird ferner die Form der Lang- löcher zweckmässigerweise so gestalten, dass mit Rücksicht auf Vermeidung von schäd lichen Spannungsüberhöhungen ein allmäh licher Übergang von der Potentialverteilung nach Fig. 13 in diejenige nach Fig. 12 statt findet.
Besonders vorteilhaft ist eine solche Aus bildung, dass der Schmelzleiter durch Aus sparungen, vorzugsweise in Form von einem <U>Langl</U>och, auf jeweils so grossen Längen im Querschnitt verjüngt ist, dass die Länge der parallel brennenden Lichtbögen während der Löschzeit .die Längen der verjüngten Schmelz leiterteile nicht überschreitet.
Eine Ausbildung der Aussparungen in Form von Langlöchern senkrecht zur Schmelzleiterachse, wie sie Fig. 9 darstellt bezw. in Form von Einschnitten nach Fig. 9a, kann vorteilhaft angewandt werden, wenn eine hohe Überlastungsträgheit der Sicherung bei Überströmen erwünscht ist.
Da bei dieser Ausführungsart ein sehr kurzer Weg für die Abfuhr der Wärme von den. geschwächten nach den Stellen normalen Querschnittes hin zur Verfügung steht, wird dieser Schmelz streifen erst bei sehr hohen Kurzschluss strömen in einer so kurzen Zeit durchschmel zen, wie sie rechnungsmässig dem kleinsten Querschnitt entspricht.
Es hat sich gezeigt, dass vorteilhafte Anordnungen getroffen werden, wenn gemäss Fig. 9b die Länge der wirksamen Querschnittsverjüngung l klein gegen die Streifenbreite b3 ist und wenn der wirksame elektrische Widerstand des ver jüngten Teils um ein Vielfaches bis um mehr als eine Grössenordnung, mindestens um ein Vierfaches grösser als der des urverjüngten Teils gleicher Länge ist. Dies wird entweder dadurch erreicht, dass die Breite des verjüng-.
ten Teils br gleich oder kleiner als die Länge der Querschnittsverjüngung l ist, oder da durch, dass ein schmaler Einschnitt bezw: eine schmale schlitzartige Aussparung gemäss Fig. 9c nur soviel Querschnitt bestehen lädt, dass allein die Zusammendrängung der Strom linien in diesem Querschnitt zu der gewünsch ten Widerstandserhöhung führt. Man kann diese Sicherung also so bemessen, dass sie bei schweren Kurzschlüssen ausserordentlich flink anspricht.
Eine weitere Ausführungsform gibt die Fig. 14 an. Nach dieser Figur besteht der Schmelzleiter aus einer Anzahl einzelner Stücke 33 bis 38, welche an ihren Enden Aussparungen besitzen und mit den stehen gebliebenen geschwächten Stellen aneinander gelötet sind. Durch diese Mittel wird der Grenzstrom des Schmelzleiters herabgesetzt zum Zwecke einer Erniedrigung der Betriebs nenntemperatur der Sicherung und zur Er zielung einer grossen Trägheit bei sonst glei chem Schmelzleiterquerschnitt. Hierbei ist eine besonders genaue Vorherbestimmung des Grenzstromes und der L: nterbreeliungskenn- linie möglich.
Das ist besonders wertvoll für den Aufbau eines Selektivschutzsystems, bei welchem eine Abstufung der Löschzeiten ver langt wird.
Es ist ferner erwünscht, die bekannten Silberschmelzstreifen für Sicherungen, insbe sondere Niederspannungs-Hochleistungssiche- rungen für sehr hohe Abschaltleistungen, etwa Stromstärken bis 50 000 Amp. und Spannungen von einigen hundert bis einigen tausend (etwa 3000) Volt durch andere zu er setzen, deren Rohstoffe für gleiche Betriebs daten billiger und leichter zu beschaffen sind.
Die bekannten Kupferschmelzleiter sind dazu nicht ohne weiteres geeignet. Blanke. Kupferleiter haben die Eigenschaft, bei hö heren Temperaturen zu oxydieren, wobei die Stärke der Oxydationsschicht mit fortschrei tender Zeit allmählich zunimmt. Infolge dessen tritt bei Kupferleitungen, die durch Belastung mit einem Dauerstrom in der Nähe des Grenzstromes, also etwa einem Betriebs strom zwischen Nennstrom und Grenzstrom, längere Zeit einer Dauertemperatur von bei spielsweise 500 und mehr ausgesetzt sind, eine allmähliche Verminderung des strom führenden Querschnittes ein.
Das bedeutet aber eine Herabsetzung des Grenzstromes. Die genannten Betriebsbedingungen von Si- cherungssehmelzleitern erschweren den Oxy dationsschutz von Kupferbändern ganz ausser ordentlich; so versagen infolge der hohen Temperaturen sonst Übliche Oxydations schutzmittel wie Verzinnen, Versilbern usw. als Schutz von Sicherungsschmelzstreifen.
Eine vorteilhafte weitere Ausbildung be steht nun in der Anwendung eines Öxy- dationssehutzmittels, welches den hohen Anforderungen bei Schmelzleitern gewachsen ist und insofern eine Ausnahme von den übrigen bekannten Schutzmitteln bildet. Ein solches Schutzmittel ist. Chrom.
Die Anwendung dieses Seutzmittels setzt bei der Herstellung eine besondere, metallur gisch bedingte Vorbehandlung voraus, damit der Chromiiberzug auf der Oberfläche des Schmelzleiters haftet. Zu diesem Zweck. kann der im wesentlichen aus Kupfer bestehende Schmelzleiter zuerst mit einem Überzug aus Nickel und darüber mit einem Überzug aus Chrom versehen werden. Die Schutzüberzüge aus Nickel und Chrom können in einfachster Weise galvanisch auf den Kupferschmelz leitern aufgebracht werden.
Die Herstellung des galvanischen Überzuges geschieht zweck mässig bei bandförmigen Schmelzleitern am laufenden Kupferband, aus dem darnach die Schmelzleiter ausgestanzt werden. Einen noch wirksameren Oxydationsschutz erhält man, wenn man die Schmelzleiter zuerst aus dem blanken Kupferblech ausstanzt und die fer tigen Schmelzleiter hinterher galvanisch ver nickelt und verchromt. In diesem Fall wer den auch die schmalen Randseiten des Schmelzleiters gegen Oxydation geschützt.
Da Chrom auch gegen den Angriff durch Koronaerscheinungen widerstandsfähig ist, so bietet die Anwendung dieses Vorschlages gerade auch bei Hoehspannungs - Schmelz sicherungen merkliche Vorteile.
Es wurde weiterhin gefunden, dass ein Chromüberzug bei den hohen Betriebstem peraturen, denen ein Sicherungsschmelzleiter unterworfen ist, auch sehr widerstandsfähig ist gegen chemische Reaktionen mit einem pulverförmigen oder körnigem Löschmittel, z. B. Quarzsand, in das die Schmelzleiter bei geschlossenen Patronensicherungen zur Er höhung der Abschaltleistung eingebettet wer den. Bei vielen anderen Metallen, z. B. Kup- fer, sogar auch bei Silber, tritt eine chemische ]Reaktion mit dem Quarzsand ein, wenn - die Berührungsfläche und ihre Umgebung auf hohe Temperaturen von beispielsweise 500 und mehr längere Zeit erhitzt sind.
Die Zer setzung des Schmelzleitermetalles würde auch in diesem Falle infolge Querschnittsschwä- chung zu einer Herabsetzung des Grenz- stromes führen. Durch Anwendung der Ver- chromung der Kupferschmelzleiter wird der Gefahr der Oberflächenzersetzung vorgebeugt.
In Fig. 15 ist ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Schmelzleiters im Quer schnitt stark vergrössert dargestellt. Darin ist 111 der Kupferleiter, 112 der Nickelüberzug und 113 der Chromüberzug. 114 bedeutet ein körniges Löschmittel, in das der Schmelz leiter eingebettet ist.
High-performance sea fuse for low and medium voltages. High-performance fuses for low and medium voltages (ie voltages up to 3,000 volts) have the task of reliably interrupting particularly large short-circuit currents, for example 50,000 A and more. In order to protect connected devices and, in particular, to achieve selectivity with fuses of higher rated currents, which are in the current path to the voltage source, the extinguishing time should be short for all short-circuit currents, even the heaviest.
On the other hand, the extinguishing time must not be so short that the induction voltage created when the current is drawn becomes excessively high and endangers the system.
The invention relates to high-performance fuses for low and medium voltages with fusible conductors that are embedded in granular extinguishing agents and weakened in places. According to the invention, the weakened points in the fusible conductor are present in such a number and dimensioned such that when the fuse is used in inductive circuits and when overcurrents that exceed three times the value of the rated current are switched off, the sum of the first melting at the ends of this,
weakened areas in the immediate vicinity of the arc formation occur the partial voltages is greater than the rated voltage of the fuse, but less than three times the rated voltage. The following relationships apply to the course of the extinguishing process: The operating voltage of the disconnecting arc of a fuse is brought up by the sum of the mains voltage and the counter voltage that is generated in the inductances of the short-circuit circuit when the current is drawn.
The ohmic voltage drop must be subtracted from this. The disconnection process in the fuse is finished when the required voltage at the arc is greater than the sum of the driving voltages. From these considerations it follows that there is a certain, most favorable course of the extinguishing process for a given short-circuit circuit. It is known that the course of the extinguishing process can be influenced by the shape of the fuse element.
This applies in particular to fuses with. where the fuse element is embedded in a granular extinguishing agent. Tests have shown that the properties of the granular extinguishing agent change during the extinguishing process. This change in turn influences the course of the deletion process.
The erasure processes in some known fusible conductor shapes will now be explained in more detail with reference to figures.
In Fig. 1, a fusible conductor of uniform cross-section is shown, which can be designed as a wire or band. The fusible link is denoted by 11, 21, 22 are the connection lugs for fastening to the caps of the fuse. When a high short-circuit current intensity occurs, this conductor melts practically along its entire length at the same time and the arc is created. according to the given at the same point in time over the entire distance L between the two electrodes given by the connection lugs 21 and 22.
When the arc arises, the granular extinguishing agent is still cold everywhere (in comparison to the melting temperature) and fresh in its surroundings and has the same high extinguishing capacity at all points. As a result, a uniform potential distribution arises along the arc on the path L. The voltage then runs, for example, along the straight line a in FIG. 4.
The electrode voltage L ';, n ,; "has to be applied practically <I> immediately </I> by the circuit; this is associated with the creation of a very high overvoltage. If, on the other hand, a short-circuit current of less magnitude occurs, the conductor melts initially at any point that happens to be thermally somewhat higher than the surrounding area, and from this point it gradually spreads to both sides.
In order to ensure that the arc is ent at a predetermined point, the fusible conductor has often been given the shapes shown in FIGS. 2 and 3, for example, in which the cross-section at a certain point, usually in the middle, is weaker than at the other positions.
With these fusible conductors, the arc arises in the event of an overcurrent or short circuit in the middle and from here it expands on both sides by gradually melting the fusible conductor parts adjacent to its base points further away. During the entire extinguishing time, the extinguishing agent in the vicinity of the point where the arc was created is already very heated. Only the arc root points come into contact with cool and fresh extinguishing agent.
Since the extinguishing agent loses its extinguishing effect to a large extent due to the heating, the voltage gradient in the middle of the arc is relatively small and only has its original height near the arc roots. This results in a profile of the voltage at the interruption path, which is shown in curve b in FIG. 4 for the case that the arc root points have reached electrodes 21 and 22.
The highest voltage LTu ",; 1, at the electrodes of the arc is thus smaller here than in the case shown in FIG. 1, curve a, assuming the same conductor cross-section at the non-weakened points. Curve b consists of three parts with different slopes. The two parts b1 at the arc roots have due to the good.
Extinguishing ability of the surrounding, not yet heated sand a high voltage gradient. Between them lies the part b2, which has only a flat incline because the extinguishing agent has already largely lost its extinguishing effect due to the strong heating.
Tests have shown that as the arc root points continue to migrate from the point of origin, the length of the parts b at which the high voltage gradient is present remains almost constant, while the middle part b2 increases with the entire interruption distance between the arc root points .
In order to achieve the total voltage that the arc has to absorb to interrupt the current, the points b, are essentially decisive, while the influence of the length of the central part and thus the influence of the total length of the melting strip is relatively small.
The invention is now based on this knowledge. Its purpose is, when the fuse is responding to overcurrent, not only to create two places b with a high voltage gradient, but to arrange a plurality of these places one behind the other. If, in the event of an overcurrent, the sum of the partial arc voltages that arise at the weakened points on the connection lugs 21 and 22, is greater than the rated voltage of the fuse BEZW. the operating voltage of the network, the arc then quickly breaks off.
In practice, the fuse will be built in such a way that the time available for this process, which depends on the size of the short circuit, is between the limits set on the one hand by selectivity conditions (very short extinguishing time) and on the other hand by the maximum permissible overvoltage (longer extinguishing time) - time) are given. The number of necessary weakening points in the fusible link is to be selected according to these parameters.
It is true that there are currently fusible links in which the fusible link has alternating strong and weak cross-sections. In these known backups, the arcs also arise at the weakened points. The parts with a larger cross-section should be able to be thrown away by the dynamic blowing effect. The melting strips must therefore not be embedded in a granular extinguishing agent. As a result, the known fuses lack the extinguishing effect based on the peculiar behavior of the granular extinguishing agent.
Furthermore, it has become known to provide fusible conductors with a plurality of tapers, but only for the purpose of producing long melting times with low overcurrents by creating large cooling surfaces. Since a gaseous or liquid filler should be used in these fuses, they also lack the effect that occurs when using a granular extinguishing agent.
The invention differs from the known fuses, in which the number of weakening points remains completely indeterminate, also through the special dimensioning of the number of weakened points, which enables safe shutdown in the shortest possible time, but at the same time endangering the system by avoiding inadmissible overvoltages is prevented.
The correct number of weakened areas depends on various other variables, e.g. B. on the arrangement and the dimensions of the weakened points, the size and shape of the fusible conductor cross-section at the non-weakened points, the fusible metal, the connection lugs and their arrangement, the thermal conductivity and extinguishing ability of the extinguishing agent, the surface shape of the Fuse body and more.
The influence of all of these variables on the thermal conditions of the fuse in normal operation and when responding is known per se. With a given fuse design, the correct number of weakened points can easily be found by experiment. In Fig. 5, for example, such a fusible conductor with four weakening points is shown. In Fig. 6, a certain moment is picked out during the deletion time after the fuse has responded. The arcs created at the weakened points burn between the remaining points 14, 15, 16, 17, 18 of the fusible conductor.
The subsets of the extinguishing agent 19 surrounding the middle of the arcs are already sintered together to form melt beads 23, 24, 25 and 26. The span - now - on the melting strip consequently runs, for example, according to the drawn out curve in Fig. 7. The scale of this figure is both vertical and horizontal right from that of the fib. 1 different.
The curve according to FIG. 7 has a stepped shape in the schematic illustration shown. The flat spots correspond to the remaining parts 11 to 18 respectively. Highly heated Sehmel rooms? 3 to? (;. Between the flat parts are the parts with a high voltage gradient, which correspond to the arcuate base points.
The arcs have a total of Suminenspa.n- tion Z ', which according to the invention, in direct connection to the arc pattern should rise higher than the mains voltage in the system in which the fuse is built. Werin on the other hand the fuse, as it is known, only ezj @ e) z incision orle, r; iucli only one as a result of @abril ;;
Ationsur @accuracies had turned out to be particularly weak point, only a single arc would have arisen, the foot points of which would have migrated from the point of origin to the sides.
) If these base points had then reached the same distance as the outermost arc base points according to FIG. G, then the voltage curve on the melting strip would correspond approximately to the dashed curve in FIG. 7, with a significantly lower overall voltage L ', would have been achieved.
Such a fuse would therefore have to be built longer for the same operating voltage than the fuse according to the invention, in which the interruption voltage Z 'is achieved by weakening the fusible conductor at several points.
If you want to determine the existence of the features of the invention in a specific example of a high-performance fuse for low and medium voltages, the fusible link of which is embedded in a granular extinguishing agent and weakened in some areas, you can proceed as follows:
Lan installs the fuse in a test circuit, which practically corresponds to the conditions of the load, and loads the fuse with an overcurrent, which is at least 3 den. three times the value of the nominal current. The shutdown process is recorded on an oscillograph, and in particular the course of the voltage developing on the fuse is measured.
The resulting maximum value, which corresponds to the sum of the partial voltages, is compared finitely with the nominal voltage. This immediately shows whether this value is between your simple and three times the value of the nois voltage or whether the fuse corresponds to the features of the invention.
A particularly simple design results when the weakened points of the fusible conductor all have the same shape and the same dimensions and are distributed over the length of the fusible conductor at regular intervals. The fusible conductor can then be Herge in the form of an endless belt and simply cut to the appropriate length for different voltages. Such fusible conductors are shown in FIGS. 5 and 8 to 10, for example.
With this form of fusible conductor, when short circuits with lower currents occur, there is the special advantage that, due to the heat gradient from the center of the fusible conductor towards the ends, not all of the weakened points suddenly melt through at the same time, but rather in.
- however, extremely short time intervals one after the other. The same process of staggered melting times occurs with all occurring short-circuit currents whenever the fuse element is preloaded by the operating current and consequently has a higher permanent temperature in the middle than at the ends.
The staggering of the cut-off processes in very short time intervals is an extremely effective means of controlling the timing of the interruption of the short-circuit current in such a way that the overvoltages that arise are the least dangerous.
If, conversely, it is desirable, especially when taking operational pre-loading of the fuse into account, to force the extinguishing process to commence as suddenly as possible at all conductor points, for example in order to manage the most severe short circuits with the shortest extinguishing times, then the cross-section of the fuse element must be closed from the center to the ends gradually weaken, as shown for example in FIG. Or you have to ensure that the heat dissipation in the radial direction is better from the center of the fuse element than from the ends.
The cross-sectional weakening can advantageously be brought about by cutouts in the form of elongated holes, as shown in an example in FIG. Then there is a special one. large breaking capacity from follow the reason. The arc is said to have burned out a section L from a fusible conductor 27 with a recess 28, for example according to FIG. Let the diameter of the punched out point 28 be small compared to L.
The voltage distribution is plotted over the figure, namely the voltage U3 is achieved as the electrode voltage. 13 shows the relationships with the same current, the same conductor cross-section, etc., except that instead of the circular recess 28, an elongated hole 29 of a comparatively large axial length should be present.
If the arc has burned out the same distance L as in FIG. 12, the highest burning voltage reached U4 is greater than U3 in FIG. 12. This phenomenon is due to the fact that the arc in the case of FIG. 13 in two parallel branches burns, so is in less contact with the extinguishing agent, furthermore because the current density in the partial light arcs is also greatly increased due to the finite width and the great length of the recess.
The resulting increased voltage on the partial arcs is associated with an increase in the breaking capacity of the fuse. Several elongated holes can be arranged next to each other so that more than two arcs burn in parallel. Furthermore, the shape of the elongated holes will expediently be designed in such a way that a gradual transition from the potential distribution according to FIG. 13 to that according to FIG. 12 takes place with a view to avoiding harmful excess voltage.
Particularly advantageous is such a design that the fusible conductor is tapered in cross-section by recesses, preferably in the form of a <U> Langl </U> och, to lengths that are so great that the length of the parallel arcs during the extinguishing time . does not exceed the length of the tapered fusible conductor parts.
A design of the recesses in the form of elongated holes perpendicular to the fusible line axis, as shown in FIG. 9 respectively. in the form of incisions according to FIG. 9a, can advantageously be used if a high degree of overload inertia of the fuse in the event of overcurrents is desired.
Since in this embodiment a very short path for the removal of heat from the. weakened towards the points of normal cross-section is available, this melting strip will only melt through in a short time with very high short-circuit currents, as it corresponds mathematically to the smallest cross-section.
It has been shown that advantageous arrangements are made when, according to FIG. 9b, the length of the effective cross-sectional taper l is small compared to the strip width b3 and when the effective electrical resistance of the tapered part is a multiple to more than an order of magnitude, at least by is four times larger than that of the originally tapered part of the same length. This is achieved either by having the width of the tapered.
th part br is equal to or smaller than the length of the cross-sectional taper l, or because a narrow incision or a narrow slot-like recess according to FIG. 9c only has enough cross-section that only the constriction of the stream lines in this cross-section leads to the desired increase in resistance leads. This fuse can be dimensioned so that it responds extremely quickly in the event of severe short circuits.
Another embodiment is shown in FIG. According to this figure, the fusible conductor consists of a number of individual pieces 33 to 38, which have recesses at their ends and are soldered to one another with the weakened points that have remained. By these means, the limit current of the fusible conductor is reduced for the purpose of lowering the operating temperature of the fuse and to he aiming a great inertia with otherwise the same chemical fusible conductor cross-section. A particularly precise predetermination of the limit current and the interreelation characteristic is possible here.
This is particularly valuable for setting up a selective protection system in which a gradation of the extinguishing times is required.
It is also desirable that the known silver melt strips for fuses, in particular special low-voltage high-performance fuses for very high breaking capacities, such as currents up to 50,000 amps. And voltages of a few hundred to a few thousand (about 3000) volts by others to set their Raw materials for the same operating data are cheaper and easier to obtain.
The known copper fusible conductors are not readily suitable for this. Bare. Copper conductors have the property of oxidizing at higher temperatures, with the thickness of the oxidation layer gradually increasing as time progresses. As a result, copper lines that are exposed to a continuous temperature of 500 and more for a long time due to exposure to a continuous current in the vicinity of the limit current, i.e. an operating current between the rated current and the limit current, have a gradual reduction in the current-carrying cross-section.
But that means a reduction in the limit current. The above-mentioned operating conditions of safety clay ladders make the oxidation protection of copper strips extremely difficult; As a result of the high temperatures, otherwise common anti-oxidants such as tin-plating, silver-plating, etc. fail to protect fuse strips.
An advantageous further development consists in the use of an oxidation protection agent, which can meet the high demands placed on fusible conductors and to that extent is an exception to the other known protective agents. One such protective agent is. Chrome.
The use of this cleaning agent requires a special, metallurgical pretreatment during manufacture so that the chrome coating adheres to the surface of the fusible conductor. To this end. the fusible conductor, which consists essentially of copper, can first be provided with a coating of nickel and then with a coating of chrome. The protective coatings made of nickel and chrome can be applied galvanically to the copper fusible conductors in the simplest possible way.
The production of the galvanic coating is done appropriately in the case of ribbon-shaped fusible conductors on the running copper strip, from which the fusible conductors are then punched out. An even more effective protection against oxidation is obtained if the fusible link is first punched out of the bare copper sheet and the finished fusible link is then galvanically nickel-plated and chrome-plated. In this case, the narrow edges of the fusible conductor are also protected against oxidation.
Since chromium is also resistant to attack by corona phenomena, the application of this proposal offers noticeable advantages, especially with high-voltage fuses.
It has also been found that a chrome plating at the high operating temperatures to which a fuse fuse is subjected, is also very resistant to chemical reactions with a powder or granular extinguishing agent, eg. B. quartz sand, in which the fusible conductor with closed cartridge fuses to he increase the breaking capacity embedded who the. For many other metals, e.g. B. copper, even with silver, a chemical] reaction occurs with the quartz sand if - the contact surface and its surroundings are heated to high temperatures of, for example, 500 and more for a long time.
In this case too, the decomposition of the fusible metal would lead to a reduction in the limit current due to a weakening of the cross-section. By using chrome plating on the copper fusible link, the risk of surface decomposition is prevented.
In Fig. 15, an embodiment of such a fusible conductor is shown greatly enlarged in cross section. Inside, 111 is the copper conductor, 112 is the nickel plating, and 113 is the chrome plating. 114 means a granular extinguishing agent in which the fuse link is embedded.