CH662672A5 - Elektrische sicherung zur strombegrenzung in schaltkreisen mit mehr als 1000 volt. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherung zur Strombegrenzung in Schaltkreisen mit mehr als 1000 Volt.

Es ist bekannt, eine Sicherung einzusetzen, die dazu in der Lage ist, sowohl Höchstströme wie auch Ströme knapp über dem Nennstrom zu unterbrechen, und die in Reihe mit einer auf schwache Ströme reagierenden Löschrohrsicherung liegt, die Ströme knapp über den Nennstrom unterbrechen kann.

Ein weiteres, bekanntes System, das bei Tieftemperaturen arbeitet, bedient sich einer Sicherung mit aus Silber bestehenden, schmelzbaren Elementen, wobei der sogenannte Metealf oder M-Effekt ausgenützt wird. Bei dieser Art einer Sicherung ist ein aus Silber bestehendes Band durch eine geringe Menge von Zinn oder einer Zinnlegierung an einer Stelle des Bandes ergänzt, wodurch eine eutektische Legierung mit dem Silber gebildet wird, wodurch an dieser Stelle des Bandes sein Schmelzen gefördert wird, wenn das Band eine Temperatur von ca. 230°C erreicht. Ohne Berücksichtigung des M-Effekts schmilzt Silber bei einer Temperatur von etwa 960°C. Eine derart hohe Temperatur ohne Berücksichtigung des eutektischen Effekts führen zur Beschädigung der

Sicherung und erschweren ihr Ansprechen. Dort aber, wo der M-Effekt angewendet wird, findet das Schmelzen des Silberbandes an der betreffenden Stelle statt, und der resultierende Lichtbogen und der dabei weiterfliessende Strom erhöhen die Temperatur des Bandes durch weitere etwa 700°C. Darüberhinaus können Ströme, die nicht zum Schmelzen des Bandes führen, eine Veränderung an der M-Stelle bewirken, wodurch eine bleibende Veränderung in der Schmelzcharakteristik der Sicherung hervorgerufen wird.

In einer anderen, eutektischen Konstruktion wird ein paralleles Hilfselement verwendet, das der Auslösung von zwei weiteren Unterbrechungen in dem Schmelzelement nach dem Schmelzen an der M-Stelle führt. Diese bekannte Vorrichtung begrenzt die Schmelzpunkte auf drei Stellen, was nicht erwünscht ist, und führt zu einem komplizierten Aufbau.

Bei einer anderen, bekannten Vorrichtung ist ein Kern mit Schmelzelementen bewickelt und besteht aus einem Gas enthaltenden Material. Dort, wo diese Vorrichtung verwendet wird, muss das Gehäuse gelüftet werden. Wenn das Gehäuse gelüftet wird, findet die Stromunterbrechung nicht isoliert statt und kann zu einem Fehler in der Sicherung oder zur Beschädigung anderer Geräte führen.

Bei einer weiteren Sicherung wird ein Silberelement in Reihe mit einem Zinnelement eingesetzt. Letzteres ist in ein Isolierrohr eingeschlossen und liegt in einem Füllelement, damit eine Unterbrechung bei niedrigem Strom möglich ist. Diese Vorrichtung ist nur für niedrige Ströme einsetzbar und ist daher nicht universell einsetzbar.

Eine weitere, bekannte Vorrichtung umfasst eine thermische Isolation für einen Silberdraht, der mit einem Silberband in Serie liegt. Die Hitzekonzentration fördert einen frühen Schmelzvorgang des Silberdrahts. Allerdings erhöht diese Ausführung die Kosten der Sicherung.

Bei einer anderen, bekannten Sicherung wird eine Goldlegierung in einem den Lichtbogen löschenden Rohr verwendet und liegt in Serie mit einem Silberelement, so dass eine Trennung bei niedrigen Strömen stattfinden kann.

Die oben genannten, bekannten Vorrichtungen weisen die Nachteile auf, dass besonders bei niedrigem Strom Schwierigkeiten auftreten. Die Notwendigkeit der Trennung bei niedrigem Strom hat bei den bekannten Gegenständen in der Regel zu einem jeweils komplexen Aufbau der Sicherung geführt, die Grössen solcher Sicherungen sowie die Kostenbelastung bei der Herstellung haben zugenommen. Ferner hat die Berücksichtigung geringer Ströme eine Begrenzung der Trennung bei hohem Strom zur Folge.

Es ist auch bekannt, Sicherungselemente auf Kerne zu wik-keln, aber der Kontakt mit den Schmelzelementen reduziert den Bereich, indem ein Energieaustausch zwischen dem Lichtbogen und dem Füllmaterial stattfinden kann. Da der Unterbrechungsprozess voraussetzt, dass die Haupt-Lichtbogenenergie auf das Füllmaterial übertragen wird, bewirkt jede Herabsetzung des Bereichs des Kontakts mit dem Füllmaterial einen unerwünschten Nachteil.

Der Kontakt zwischen den Elementen und dem Kern kann zu hohen Temperaturen in dem Kern führen. Keramikmaterialien erleiden eine Herabsetzung ihrer Isolationseigenschaften durch derartige, hohe Temperaturen. Diese Reduzierung der Isolationseigenschaften des Kerns bewirkt eine ungleichmässige Spannungsverteilung über die Sicherung während des nachfolgenden Lichtbogens.

Unter bestimmten Grenzbedingungen hinsichtlich des durchfliessenden Stroms kann sich ein Temperaturanstieg in den Schmelzelementen ereignen, was zu einer Deformation der Schmelzelemente führt. Nachfolgendes Erhitzen und Abkühlen kann zu inneren Spannungen in den Schmelzele2

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menten führen, da sie im Sandbett liegen. Wenn sich die Elemente bewegen können, kann die Ausbildung von Zugspannungen vermieden werden.

In auf einem Kern aufgewickelten Elementen ist die Möglichkeit zur Vermeidung von Zugspannungen sehr eingeschränkt, und auf die auftretenden Zugspannungen zurückgehende mechanische Fehler können sich ereignen und sogar zum Brechen der Schmelzelemente besonders dort führen, wo eine verminderte Querschnittsabmessung vorhanden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einzige Sicherung zum Unterbrechen eines elektrischen Stroms in einem Hochspannungskreis zu schaffen, die den erwähnten verschiedenen Betriebsbedingungen gerecht wird.

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung weist gegenüber dem Bekannten die Vorteile auf, dass nur eine einzige Art von Schmelzelementen in der Sicherung zur Absicherung des entsprechenden Kreises notwendig ist und daher eine entsprechende Kostensenkung möglich ist. Durch die gekapselte Ausführung der Sicherung sind Beschädigungen anderer Bauteile oder Geräte ausgeschlossen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsge-mässen Sicherung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Sicherung gemäss Figur 1,

Fig. 3 in vergrössertem Massstab schematisch Einzelheiten des Auf baus der Sicherung gemäss Figur 2.

Ein rohrförmiges Gehäuse 1 (Figur 1) ist an seinen beiden, gegenüberliegenden Seiten mit Endkappen 2,3 aus elektrisch leitendem Material abgeschlossen. Aussenkappen 4 und 5 sind über die Endkappen 2,3 gestülpt und mit einem Presssitz mit ihnen verbunden, und die Endkappen 2,3 sind auf dem rohrförmigen Gehäuse 1 mittels Zements 6, 7 befestigt. Eine Anschlusshülse 8 und eine Anschlusskappe 9 sind auf den Innenflächen der Endkappen 2,3 angebracht und in zentral angeordneten Öffnungen in den Endkappen 2,3 angeordnet. Der Gehäuseaufbau ist mit Kieselerdesand 10 gefüllt, der aus nahezu kugelförmigen Körnern verschiedener Grösse innerhalb gegebener Grenzen besteht. Diese Körner bestehen mindestens zu 99% aus Kieselerde, und nahezu 98% der Körner werden mit einer Siebgrösse 100 zurückgehalten, während ca. 2% der Körner mit der Siebgrösse 30 erhalten werden. Etwa 30% der Körner werden mit der Siebgrösse 40 gewonnen, während etwa 75% der Körner mit der Siebgrösse 50 gewonnen werden. Die Körner werden als 109 G.S.S. bezeichnet.

In dem Gehäuse 1 der Sicherung und in dem Kieselerdesand 10 eingebettet ist eine Anzahl schraubenförmiger Schmelzelemente 11,12, 13, 14, 15 (Figur 2) angeordnet, deren Enden mit der Anschlusshülse 8 bzw. der Anschlusskappe 9 verbunden sind. Die Bereiche der Schmelzelemente zwischen ihren Enden werden durch den Kieselerdesand 10 gehalten.

Die Schmelzelemente 11 bis 15 sind mit Kerben 16 entlang ihrer gesamten Längserstreckung versehen. Die Schmelzelemente sind bandförmig gestaltet.

Da der Erfindungsgegenstand für Hochspannungskreise über 1000 Volt Anwendung findet, handelt es sich beim Erfindungsgegenstand um eine Hochspannungssicherung.

Beim Auftreten eines hohen Fehlerstroms schmelzen die Schmelzelemente 11 bis 15 praktisch gleichzeitig an allen Kerben 16, was zur Ausbildung einer Kette von Lichtbögen führt. Diese Lichtbögen dehnen sich rasch aus und fallen zusammen.

Die Lichtbogenenergie wird in Form von Wärme von dem Kieselerdesand 10 absorbiert. Der Energieaustausch zwischen den Lichtbögen und dem Kieselerdesand hängt auch von der Oberfläche der Sandkörner ab. Je grösser die Oberfläche der den Lichtbogen ausgesetzten Sandkörner ist, um so grösser ist der Energieaustausch. Dem Energieaustausch kommt daher auch die Querschnittsform der Schmelzelemente entgegen, die bandförmig gestaltet sind und nicht nur aus einem einzigen Element, sondern aus einer Vielzahl von Elementen bestehen. Der Erfindungsgegenstand ist allerdings auch mit einem einzigen Schmelzelement funktionsfähig.

Die Verwendung einer Vielzahl von parallel gelegter Schmelzelemente in dem Kieselerdesand 10 führt auch zu einer guten Kühlung der Schmelzelemente während des normalen Stromflusses, also ohne Beanspruchung der Sicherung durch Überstrom, so dass der Gesamtquerschnitt der Schmelzelemente geringer gehalten werden kann.

Eine Vielzahl von Schmelzelementen ist auch besonders dann von Vorteil, wenn es um die Unterbrechung eines Stroms geht, der an sich einen geringen Wert aufweist und nur geringfügig über dem Nennstrom liegt. Hierbei schmilzt ein einziges Schmelzelement an einer Kerbe 16 durch, bevor weitere Schmelzelemente durchbrennen. Hierdurch entsteht eine kurze Unterbrechung in dem Schmelzelement. Da dieses mit den übrigen Schmelzelementen parallel liegt, kann sich an der Unterbrechungsstelle kein Anfangslichtbogen ausbilden, und der Strom des ersten Elements wird über die anderen Elemente verteilt. Danach schmilzt ein weiteres Element unter ähnlichen Bedingungen, und sein Strom fliesst dann über die verbleibenden Schmelzelemente. Alle Schmelzelemente brennen nacheinander durch, und nach und nach entsteht ein immer höherer Strom, der sich auf die verbleibenden Schmelzelemente aufteilt.

Erst beim Durchbrennen des letzten Schmelzelements der Sicherung beginnt sich ein Lichtbogen auszubilden. Es entsteht nur ein einziger Lichtbogen, da bei den übrigen Schmelzelementen unter den Bedingungen eines niedrigen Stroms keine Lichtbögen entstanden. Ein solcher Lichtbogen beginnt sich in dem Schmelzelement auszubilden, das den besten Strompfad hat, und bei grösser werdender Lichtbogenlänge wechselt der Strom zu einem anderen Pfad, der attraktiver ist. Die Stromkommutierung unter diesen Bedingungen ist ein bekanntes Phänomen, soweit bekannt wurde dies aber bisher nicht fotografisch oder über einen Oszillographen in Verbindung mit Hochspannungssicherungen festgehalten. Die Ausbildung eines Lichtbogens in einem einzigen Schmelzelement erlaubt dessen rasche Ausdehnung, da dieses Schmelzelement über seine gesamte Länge mit seiner Schmelztemperatur beaufschlagt ist. Daher wird ein Lichtbogen in einem einzigen Schmelzelement rasch wieder verlöschen, da ein Durchbrennen nicht nur an einer Kerbe 16 stattfindet, sondern auch an den Stellen zwischen diesen Kerben. Das rasche Abbrennen und das Schmelzen des Schmelzelements und der Ausbildung neuer Lichtbogen ausgehend von einem Anfangslichtbogen führt dazu, dass der Anfangslichtbogen mit anderen Teilen in Verbindung kommt, wodurch eine gleichmässigere Wärmeableitung von dem Schmelzelement in einiger Entfernung von dem Lichtbogen stattfindet. Diese rasche Zerstörung des Schmelzelements ist dadurch möglich, dass sich seine Temperatur in der Nähe seines Schmelzpunktes bewegt. Tests haben klar gezeigt, dass Lichtbögen nicht nur auf einen Pfad beschränkt sind, sondern sie sind sehr beweglich und treten mit jedem Punkt des Strompfades in eine Wechselbeziehung. Das Durchschmelzen der Schmelzelemente ist rasch erreicht, und

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deren gesamte Länge ist dann jeweils abgebrannt. Die verbleibenden Spalten sind ausreichend gross, um einem Aufbau der Spannung zu widerstehen, und der relativ geringe Strom ist praktisch unterbrochen.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung bezieht sich auf ein besonderes Material für die Schmelzelemente. Das ausgewählte Material sollte einen niedrigen Schmelzpunkt von 350°C oder weniger aufweisen, damit eine frühzeitige Unterbrechung bereits geringen Stroms erreichbar ist. Das verwendete Oxid sollte einen hohen Widerstand haben, damit gute dielektrische Werte nach dem Verlöschen des Lichtbogens erzielbar sind.

Bei einem Ausführungsbeispiel haben Tests ergeben, dass Kadmium ein geeignetes Material ist. Die Reinheit von Kadmium soll dabei zwischen 95% und 99,999% liegen. Kadmium hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und weist auch eine relativ niedrige Verdampfungstemperatur auf (ca. 750°C). Wenn Kadmiumdampf oxidiert und durch das granulierte Füllmaterial, also den Sand bzw. Kieselerdesand, gekühlt wird, dann ergibt dies einen guten Isolator. Der Widerstand von Kadmiumoxid beträgt 1010 Ohm/cm3 bei 1000° Kelvin und aus diesem Grund eignet sich Kadmium wegen seiner dielektrischen Eigenschaft nach dem Unterbrechen des Stromkreises gut.

Versuche haben gezeigt, dass Schmelzelemente aus Silber nicht vollständig schmelzen, wenn nur relativ geringe s Ströme beteiligt sind, und dass wesentliche Bestandteile der Schmelzelemente nach Verschwinden des Lichtbogens intakt bleiben. Aus diesem und anderen Gründen erfüllt Silber nicht alle Anforderungen, die an das Material bei Hochspannungsanwendung gestellt werden, da ungeschmolzenes io Material zu Betriebsstörungen durch einen Wiederaufbau der Spannung führen.

Die Verwendung von Kadmium in Verbindung mit einer geeigneten Anordnung führt zum Durchschmelzen der Kerben und bewirkt eine Anzahl kurzer Lichtbogen, die für 15 das Unterbrechen bei hoher Betriebsspannung notwendig sind. Andererseits im Fall von geringen Strömen werden die Schmelzelemente aus Kadmium im allgemeinen über ihre gesamte Länge verbrannt bzw. geschmolzen, und dementsprechend ist ein Spannungsaufbau über die Sicherung nicht 20 mehr möglich.

Eine Sicherung gemäss der Erfindung eignet sich besonders gut in einem Gerät mit einer Schutzflüssigkeit, wie z.B. Transformatoren, Kondensatoren, Schaltern und ähnlichem.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

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1. Elektrische Sicherung zur Strombegrenzung in Schaltkreisen mit mehr als 1000 Volt, mit einem rohrförmigen Gehäuse ( 1 ) aus isolierendem Material, welches der Wiederkehrspannung des Schaltkreises nach Unterbrechung des Stromkreises durch die Sicherung widersteht, dadurch gekennzeichnet, dass Endkappen (2,3) an beiden Enden des rohrförmigen Gehäuses ( 1 ) zum Verschliessen desselben vorgesehen sind, dass das Gehäuse (1) im wesentlichen mit kugelförmigen Körnern beliebiger Grösse von ca. 99% reinem Quarzsand (10) gefüllt ist, dass mindestens ein schraubenförmig angeordnetes Schmelzelement (11-15) aus Kadmium mit einer Reinheit zwischen 95% und 99,999% in den Quartzsand (10) eingebettet ist und von diesem getragen und gehalten wird, wobei das oder jedes der Schmelzelemente (1 1 — 15) mit einer Vielzahl entlang ihrer Längserstreckung angeordneter Stellen verminderten Querschnitts (16) versehen ist,.wobei die Enden der Schmelzelemente mit den Endkappen (2,3) in galvanischer Verbindung stehen und bei Verwendung mehrerer Schmelzelementen eine Vielzahl parallel liegender, leitender Pfade bilden, dass das oder jedes Schmelzelement bei weniger als 350°C zu schmelzen beginnt, wobei beim Auftreten eines Stromes in der Grössenordnung des Mehrfachen des Nennstroms die Unterbrechung mindestens teilweise dank der Übertragung der Lichtbogenenergie zum Kieselerdesand erfolgt, dass bei Strömen die wenig über dem Nennstrom liegen, das oder jedes der Schmelzelemente im wesentlichen über seine ganze Länge auf eine Temperatur gebracht wird, die in der Nähe seiner Schmelztemperatur und wesentlich unter seiner Verdampfungstemperatur liegt, dass die Schmelzelemente, wenn in der Mehrzahl, derart angeordnet sind, dass sie in ungeordneter Reihenfolge schmelzen und sich anschliessend in den Schmelzelementen durch Schaltwirkung in ungeordneter Reihenfolge Lichtbogen bilden und erlöschen, dass die in jedem Schmelzelement durch Schaltwirkung gebildeten und erlöschenden Lichtbogen über einer progressiv ansteigenden Anzahl von Stellen entlang der Längserstreckung eines jeden Schmelzelements (11-15) anschliessend wieder gebildet werden, bis soviel Stellen genügend abgeschmolzen sind, dass sich Luftspalte ausbilden, die der Wiederkehrspannung widerstehen.

2. Elektrische Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Schmelzelementen vorgesehen ist.