Strombegrenzende Schmelzsicherung Bekannte strombegrenzende Hochleistungs-Schmelz- sicherungen bestehen aus einer von der Nennstromstärke abhängigen Anzahl von parallel geschalteten, gute elek trische Leitfähigkeit besitzenden Schmelzelementen. Die se werden in einem Gehäuse, das aus einem gute Wärme- und Druckfestigkeit besitzenden Material verfertigt ist, mit einem gute Kühlfähigkeit und auch eine entsprechen de Lichtbogenlöschfähigkeit aufweisenden Löschmittel (z.B. mit Quarzsand) umgeben.
Die strombegrenzenden Schmelzsicherungen pflegt man vom Gesichtspunkt des Abschmelzcharakters ab hängig in zwei Hauptgruppen zu teilen: auf die rasch wirkenden (sogenannten flinken) Sicherungen und auf die mit Verzögerung arbeitenden (sogenannten trägen) Siche rungen. Der wesentliche Unterschied zwischen den Strom-Zeit-Kennlinien derselben liegt darin, dass die trägen Schmelzeinsätze von gleicher Nennstromstärke unter der Einwirkung einer Überbelastung grösser als etwa das 1,6 fache des Nennstromes im Gegensatz zu den flinken Sicherungen erst nach einer wesentlich längeren Zeit schmelzen.
Die trägen Sicherungen funktionieren aber nicht nur im Bereiche der kleinen Überströme, sondern bei grösseren Überströmen und- auch bei Kurz- schlussströmen träg und lassen deshalb auch im letzte ren Fall einen wesentlich grösseren Strom (Durchlass- strom oder Schmelzstromspitze) sich ausbilden als die deiche Nennstromstärke besitzenden flinken Schmelzein sätze.
Dies bedeutet, dass die Strombegrenzungsfähigkeit der trägen Schmelzeinsätze schlechter ist als diejenige der flinken Sicherungen, so dass die thermische und dynami sche Beanspruchung der durch diese geschützten Einrich tungen ebenfalls grösser ist.
Die Schmelzelemente der strombegrenzenden NH- Sicherungen werden in bekannter Weise in ihrer Länge veränderlich ausgebildet. Es sind Schmelzelemente be kannt, die aus Abschnitten mit langem unveränderlichen und mit langem veränderlichen Querschnitt ausgebildet sind. Bei diesen Lösungen beträgt im Allgemeinen die Länge des einen verringerten Querschnitt besitzenden Teiles des Schmelzelementes einen grossen prozentualen Teil der Gesamtlänge. Bei mit solchen Schmelzelementen hergestellten Sicherungen wird im Moment der Unterbre chung ein hoher Widerstand in den Stromkreis einge schaltet, so dass das Abreissen des Stromes mit Sicherheit erfolgt.
Während dem Unterbrechungsvorgang wird dem zufolge nur eine verhältnismässig kleine Lichtbogenener- gie (Wärmemenge) frei, so dass das Lichtbogenlöschma- terial des Sicherungseinsatzes nur eine kleine Wärme energie vernichten muss. Eine mit solchen Schmelzele menten ausgebildete Sicherung hat also ein grosses Abschaltvermögen. Ein Nachteil dieser Schmelzleiterkon- struktion liegt aber darin, dass infolge des in den Stromkreis eingeschalteten grossen Widerstandes eine plötzliche Stromänderung eintritt, die hohe Schaltüber spannungen verursacht.
Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass bei der Unterbrechung von geringen Überströmen zufolge der langen Zeitdauer des entstehenden Lichtbo gens - an der Stelle des dünnsten, verhältnismässig langen Schmelzleiterteiles eine Überhitzung der gebilde ten Sinterraupe auftreten und die Sicherung wegen der ungenügenden dielektrischen Festigkeit den Stromkreis nicht unterbrechen kann.
Im Falle der Verwendung von solchen Schmelzleitern (Schmelzelementen), die lange querschnittgeschwächte Abschnitte besitzen, kann das Querschnittsverhältnis des geschwächten und unverän derten Querschnittes des Schmelzelementes - wegen den ungünstigen Erwärmungsverhältnissen - nur klein sein, was bedeutet, dass in diesem Falle auch keine optimale Strombegrenzungsfähigkeit zu erzielen ist.
Zur Gewährleistung einer besonders grossen Strom begrenzungsfähigkeit und einer überflinken Abschmelz- charakteristik sind bereits Schmelzelemente bekannt, bei denen die Länge des einen verringerten Querschnitt besitzenden Abschnittes nur einige Prozente der Gesamt länge des Schmelzelementes beträgt. Die Wärmeablei- tungsverhältnisse solcher Schmelzelemente sind gegen über den im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen sehr vorteilhaft, wobei in dem kurzen, verringerten Querschnitt besitzenden Teil des Schmelzelementes die Stromdichte mehrfach höher als im vorhergehend be schriebenen, gewöhnlichen Schmelzelement ist.
Deshalb schmelzen dies-- Sicherungen sehr rasch (überflink) ab, verfügen über eine hohe Strombegrenzungsfähigkeit und verursachen infolge und während ihrer Funktion nur geringe Überspannungen.
Ihr Nachteil liegt aber darin, dass beim Beginn des Unterbrechungsvorganges an der Stelle des kurzen, mit verringertem Querschnitt ausgebil deten Abschnitts nur ein kurzer, einen kleinen Wider stand besitzender Lichtbogen in den Stromkreis geschal tet wird, weshalb nach dem bei einem verhältnismässig niedrigen Stromwert erfolgenden Abschmelzen (Stromab- riss) - bei kleinen und grossen Kurzschlussströmen in gleicher Weise - eine weitere Erhöhung des Stromes und eine Explosion der Sicherung eintreten könnte, wenn man nicht in entsprechender Weise für eine Verbesserung der Lichtbogenlöschverhältnisse sorgen würde.
Nach einer bekannten Ausführung wird die Stelle, oder die Stellen des einen verringerten Querschnitt besitzenden Teiles bzw. der Teile zwischen aus anorganischem Iso lierstoff verfertigte Auflagen gelegt und auch unter Ausnützung des Druckeffektes eine erhöhte Lichtbogen- löschwirkung gesichert.
Die unter Verwendung der im Vorhergehenden er wähnten Schmelzelemente hergestellten Sicherungen funktionieren im allgemeinen nur im Bereiche von Kurz- schlussströmen verlässlich, und so können sie daher mit entsprechender Sicherheit nur für den Zweck des Kurz- schlussschutzes verwendet werden, da ihre Schmelzleiter- ausbildung im Bereiche von kleinen Überströmen ein sicheres Funktionieren nicht gewährleistet.
Bei den vorher beschriebenen Schmelzelementen wer den die Abschmelzkennlinien durch den verringerten Querschnittanteil des Schmelzelementes bestimmt.
In gewissen Fällen haben die Verbraucher einen solchen Charakter, dass das Einschalten derselben unter einem bedeutenden Stromstoss erfolgt (z.B. beim Anlas sen von Elektromotoren, wo der Anlassstrom ein Mehr faches des Nennstromes betragen kann). Aber auch betriebsmässig kommen Überlastungen vor. In diesen Fällen ist es zweckmässig, träge Schmelzeinsätze zu verwenden.
Bekanntlich wird bei den trägen Schmelzeinsätzen im Vergleich zu den flinken eine trägere (verzögerte) Funk tion durch die Verwendung von im grossen Mass überdi mensionierten Schmelzelementen erreicht. Die Überdi mensionierung der Schmelzelemente wird durch die An bringung eines auf das Material des Schmelzeiementes aggressiv wirkenden Stoffes, (z.B. eines Metalles oder einer Metallegierung) ermöglicht. Die Schmelzelemente der trägen Sicherungen haben im Vergleich zu den flinken einen grösseren Querschnitt, sind also diesen gegenüber überdimensioniert, sie benehmen sich im Be reiche von kleineren Überströmen so, als ob die Einsätze von grösserer Nennstromstärke wären.
Diese Sicherungen wirken aber, wie bereits erwähnt wurde, nicht nur im Bereiche von kleinen Überströmen, sondern auch bei grösseren Überströmen und Kurzschlussströmen träger und gestatten deshalb in den letzteren Fällen auch wesentlich grössere Stromwerte (Durchlassströme) zu entstehen, als die gleiche Nennstromstärke besitzenden flinken Einsätze. Das bedeutet auch, dass das Strombe- grenzungsvermögen der trägen Einsätze wesentlich schlechter als dasjenige der flinken Einsätze ist.
Die mit den Schmelzleitern nach einer bekannten Ausführung hergestellten Sicherungen beherrschen den ganzen Strombereich nicht, sie funktionieren im allgemei nen nur im Kurzschlussstromgebiet zuverlässig, so gehö ren diese Sicherungen in die Kategorie der sogenannten Kurzschlussicherungen.
Bei einem bedeutenden Teil der elektrischen Einrich- tungen bzw. Einrichtungsgegenstände (z.B. bei Elektro motoren) muss der Schutz so ausgebildet werden, dass er auf die Wirkung des Einschaltstromstosses nicht an spricht und auch bei betriebsmässigen Überlastungen den Stromkreis nur dann unterbricht, wenn die Erwärmung sich der zulässigen Temperaturgrenze annähert oder diese erreicht.
Da aber in den geschützten Einrichtungen ausser den Überlastungen auch Kurzschlüsse auftreten können, muss das Schutzorgan im Falle eines Kurz schlusses rasch arbeiten, damit die durch den Kurz- schlussstrom verursachten Wärme- und dynamischen Beanspruchungen bzw. die durch diese verursachten Schäden kleiner werden.
Um den gegenüber den modernen strombegrenzenden Niederspannungs-Hachleistungs-(NH )-Sicherungen ge stellten, stets wachsenden Anforderungen vollständig zu genügen, tauchte die Notwendigkeit auf, eine solche Schmelzleiterkonstruktion zu schaffen, die die Nachteile der bisherigen Konstruktionen beseitigt und im ganzen Strombereich eine sichere Funktion der Sicherungen gewährleistet, demnach den Bau der sogenannten (cUni- versal-Sicherungen ermöglicht, die einerseits die vom Gesichtspunkt der Zeit-Strom-Kennlinie gestellten Bedin gungen - träg-flinke Abschmelzcharakteristik (kombi nierte Kennlinie)
- befriedigt und andererseits im Berei che der Kurzschlussströme der flinken Sicherung genügt, d.h. ein grosses Strombegrenzungsvermögen aufweist.
Es wurde erkannt, dass bei der sogenannten Univer- sal-Sicherung (Allzweck-Sicherung) die einander wider sprechenden Anforderungen mit einer Schmelzleiter- Konstruktion nach Art eines Kompromisses befriedigt werden können.
Gegenstand der Erfindung ist eine strombegrenzende Schmelzsicherung mit wenigstens einem, mit grössere und kleinere Querschnitte aufweisenden Abschnitten versehe- nen, flachen Schmelzelement, welche Schmelzsicherung dadurch gekennzeichnet ist, dass das Schmelzelement mindestens drei, im gleichen Mass verringerten Quer schnitt besitzende Abschnitte hat, wobei das Quer schnittsverhältnis des grösseren zum kleineren Quer schnitt mindestens 2,5 ist und die gesamte Länge der den kleineren Querschnitt aufweisenden Abschnitte minde stens 15%o der Gesamtlänge des Schmelzelementes ist, und dass das Schmelzelement an einem ausserhalb seiner Mitte liegenden, den grösseren Querschnitt aufweisenden Teil mit einer Auflage aus einem Metall,
das unter Wärmeeinwirkung in das Trägermaterial eindiffundiert und dabei dessen spezifischen Widerstand erhöht, verse hen ist.
Einzelheiten von Ausführungsbeispielen der Erfin dung werden anhand der Zeichnung dargelegi, worin in Fig. 1 das Schmelzelement einer beispielsweisen Aus führungsform der erfindungsgemässen Schmelzsicherung in Ober- und in Seitenansicht dargestellt ist.
Fig. 2 ist die Abschmelz-Kennlinie der Schmelzsiche rung nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein beispielsweise aus Kupfer oder Silber hergestelltes, flaches Schmelzelement mit mit unveränder tem (grösstem) Querschnitt 2 u. mit verringertem (klein stem) Querschnitt 3 ausgebildeten Teilen dargestellt, wobei die Begrenzungslinie zwischen den mit grösstem und kleinstem Querschnitt ausgebildeten Teilen 2 bzw. 3 kontinuierlich verläuft. Um den trägen Abschnitt der kombinierten Charakteristik der Universal-Sicherung zu verwirklichen, ist an einem ausserhalb der Mitte des Schmelzleiters liegenden, einen grössten Querschnitt be sitzenden Teil 2 eine stark aggressive, zweckmässig 0,5 bis 5% Indium enthaltende, Metallegierung als Diffu sionsauflage vorgesehen.
In Fig. 2 wurde beispielsweise die Charakteristik eines bimetall-thermischen Auslösers 5 und Schnellauslö sers 6 eines Niederspannungsleistungsschalters, weiters die Abschmelzkennlinien (7..12) von verschiedenen Si cherungen dargestellt. I,., bedeutet die Abschaltfähigkeit des Leistungsschalters.
Es ist ersichtlich, dass weder die die Kennlinie 7 und 9 besitzende flinke, noch die die Kennlinie 8 aufweisende träge Sicherung eine vorteilhafte Benützung des Leistungsschalters gestattet, und zwar weder im Überstrombereich, noch im Kurzschlussstrom- bereich. (Die Kennlinien schneiden einander). Die träge Sicherung 10 ermöglicht demgegenüber eine Ausnützung der Vorteile des Leistungsschalters im Bereich der über ströme, schützt aber gegen grössere Kurzschlussströme als I,.2 nicht.
Die Kennlinie der flinken Sicherung 11 entspricht gerade noch im Bereich der Überströme, gestattet jedoch nicht, das Abschaltvermögen I,., des Schalters auszunützen, da derselbe bereits bei wesentlich kleineren Strömen als dieses schmilzt. Die in der Figur dargestellte flinke Sicherung 12 gestattet eine Ausnützung des Schalters bis zum Abschaltvermögen, jedoch mit dem Nachteil, dass ihre Nennstromstärke ein mehrfaches des Thermoauslösers wird, was mit dem Bestreben, wonach dieses Verhältnis möglichst klein sein soll, im Gegensatz steht.
Die entsprechende, moderne, bisher noch nicht be nützte Lösung ergibt die Kombination der Kennlinie der trägen und der flinken Sicherung 10 bzw. 12. Zur Verwirklichung des trägen Abschnitts der kombinierten Kennlinie (siehe den Abschnitt über Punkt P der Kurve 10 in Fig. 2) wird mindestens an einem einen grösseren Querschnitt besitzenden Teil 2 des Schmelzelementes 1 eine stark aggressive, auch 0,
5 bis 5% Indium enthalten- de Auflage - Diffusionsmetalllegierung 4 aufgebracht. Bei geringen Überlastungen diffundiert das zufolge des Lidiumgehaltes eine erhöhte Aggressivität besitzende Auflagemetall in das Schmelzelement, bildet mit demsel ben eine Legierung mit hohem elektrischen Widerstand, was mit der die Diffusion auch noch weiter beschleuni genden Wärmebildung schliesslich an dieser Stelle zum Abschmelzen des Schmelzelementes führt.
Der Indiumge- halt des Auflagemetalles 4 beeinflusst die Abschmelzzeit des einen gewissen Querschnitt besitzenden, mit gleichem Strom belasteten Schmelzelementes, was mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet, dass die Nennstromstärke eines Schmelzelementes von gegebenem Querschnitt durch den Indiumgehalt des Auflagemetalls beeinflussbar ist, was die Ausbildung des trägen Abschnitts der kombinierten Kennlinie bzw. die Regelung derselben innerhalb von gewissen Grenzen ermöglicht.
Der flinke Abschnitt der kombinierten Strom-Zeit- Kennlinie (siehe den Abschnitt unter Punkt P der Kurve 12 in Fig. 2) wird durch die verringerten Querschnitte besitzenden Teile 3 des Schmelzelementes 1 bestimmt.
Versuchsergebnisse zeigten, dass ein entsprechendes Er gebnis erzielt werden kann, d.h. der flinke Abschnitt der Kennlinie im Vergleich zum trägen Abschnitt entspre chend flink ist, wenn das Querschnittsverhältnis zwischen den grösseren und kleineren (verringerten) Querschnitt besitzenden Teilen mindestens 2,5 ist, zweckmässig zwi schen 2,5 bis 6 fällt, weiters wenn die Gesamtlänge der verringerten (kleineren) Querschnitt aufweisenden Teile mindestens 15 1o, zweckmässig 15 bis 40 /o, der Gesamt länge des Schmelzelementes beträgt.
Die in den Schmelzeinsatz eingebauten, parallel ge schalteten Schmelzelemente, - im Falle einer geraden Schmelzelementenzahl mindestens 50% der Schmelzele mente, im Falle einer ungeraden Zahl derselben, jede ungeradzahfige Schmelzeinheit - sind mit Auflagemetall versehen.
Versuche haben ferner erwiesen, dass der flinke Kennlinienanteil der kombinierten Strom-Zeit-Kennlinie bei ungeänderter Beibehaltung der früher erwähnten Ausbildung des Schmelzelementes durch eine gewisse Änderung des Querschnittverhältnisses und der Länge der verringerten Querschnitt besitzenden Schmelzelemen- tenabschnitte im Vergleich zum trägen Kennlinienanteil im gewissen Masse verschiebbar ist.
In gleicher Weise kann der träge Abschnitt der kombinierten Kennlinie unter der ungeändert belassenen, den flinken Kennlinien anteil ergebenden Schmelzelementenausbildung durch Änderung des Indiumgehaltes der Auflagemetalllegierung im Vergleich zum flinken Kennlinienanteil in gewissem Masse verschoben werden.
Auf diese Weise können z.B. über einen gegebenen flinken Kennlinienanteil verfügen de, für verschiedene Nennstromstärken geeignete Siche rungen mit kombinierten Abschmelzkennlinien bzw. in einem anderen Fall Sicherungen mit einer gegebenen Nennstromstärke mit gleicher Trägheit und mit verschie denem flinken Kennlinienanteil erhalten werden.
Versuchsergebnisse bewiesen, dass die gemäss Fig. 1 mit drei Unterbrechungsstellen ausgebildeten, eine kom binierte träg-flinke Abschmelzkennlinie besitzenden Si cherungen - zufolge ihrer optimalen Querschnittsausbil- dung - bei einer Spannung von 500 V im gesamten Strombereich (d.h. im Bereiche von geringen Überströ men, sowie von kleinen und grossen Kurzschlussströmen) anstandslos funktionieren,
über ein grosses Strombegren- zungs- und Abschaltvermögen verfügen und während ihrer Funktion keine für die Isolation der zu schützenden Einrichtung gefährlichen Überspannungen verursachen. Demnach gehören diese Sicherungen in die Kategorie der modernen, sogenannten Universal-Sicherungen oder All zweck-Sicherungen. Die früher erwähnten technischen Parameter bzw. Bedingungen können nur und aus- schliesslich nur mit der in der Erfindung festgelegten Konstruktion verwirklicht werden.
Die in der vorbeschriebenen Weise hergestellte, eine kombinierte Abschmelzkennlinie besitzende sogenannte Universal-Sicherung ist im Vergleich mit den bekannten Konstruktionen eine vollkommen neue, moderne Lösung mit bedeutenden technischen und wirtschaftlichen Vor teilen.
Untersuchungen haben die Richtigkeit der in der Erfindung dargelegten Prinzipien und auch die durch dieselben erreichte Erhöhung des technischen Niveaus erwiesen.