DE102018213522A1

DE102018213522A1 - Schmelzsicherung, Sicherungskörper, System und Verfahren

Info

Publication number: DE102018213522A1
Application number: DE102018213522.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Möbis; Adolf Schmid; Roland Schmidt; Volker Seefeld
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2038-08-11
Also published as: CN110867358B; CN110867358A; US11133144B2; DE102018213522B4; US20200051768A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Schmelzsicherung (1) weist ein Schutzgehäuse (2) auf, aus dem zwei elektrische Anschlusselemente (3) der Schmelzsicherung (1) herausgeführt sind und in dem zumindest ein Schmelzleiter (5) angeordnet ist, welcher die beiden Anschlusselemente (3) in dem Schutzgehäuse (2) elektrisch leitend miteinander verbindet. Weiterhin weist die Schmelzsicherung (1) eine Messvorrichtung (10) auf, welche ein Sensorelement (11) zum Erfassen eines physikalischen Zustands-Messwertes der Schmelzsicherung (1) sowie eine Übertragungseinrichtung (13) zur Übertragung des Messwertes an eine außerhalb der Schmelzsicherung (1) angeordnete Empfangsvorrichtung aufweist. Die Messvorrichtung (10) weist dabei ein eigenes Gehäuse (12) auf, in dem das Sensorelement (11) aufgenommen und gehalten ist und das mit dem Schutzgehäuse (2) mechanisch verbunden ist, wobei der für das Schutzgehäuse (2) sowie das weitere Gehäuse (12) insgesamt benötigte Bauraum dem Bauraum einer standardisierten NH-Sicherung entspricht. Auf diese Weise kann die Schmelzsicherung (1) auch für Retrofit-Anwendungen im Rahmen einer Nachrüstung oder Modernisierung bestehender Anlagen, bei denen eine herkömmliche Schmelzsicherung ohne Messvorrichtung (10) ersetzt wird, eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung mit einem Schutzgehäuse, aus dem zwei elektrische Anschlusselemente herausgeführt sind und in dem zumindest ein Schmelzleiter angeordnet ist, welcher die beiden Anschlusselemente elektrisch leitend miteinander verbindet, sowie mit einer Messvorrichtung, welche ein Sensorelement zum Erfassen eines physikalischen Zustandsmesswertes der Schmelzsicherung sowie eine Übertragungseinrichtung zur Übertragung des Messwertes an eine außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Empfangsvorrichtung aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Sicherungskörper für eine derartige Schmelzsicherung, ein System zur Zustandsüberwachung eines elektrischen Stromkreises, welcher zumindest eine Schmelzsicherung aufweist, sowie ein Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Stromkreises mit zumindest einem derartigen Zustandsüberwachungssystem.
Leiter, die von einem elektrischen Strom durchflossen werden, erwärmen sich. Bei unzulässig hohen Strömen kann es zu einer unzulässig starken Erwärmung des Leiters und infolgedessen zu einem Abschmelzen der den Leiter umgebenden Isolation kommen, was in der Folge bis zu einem Kabelbrand führen kann. Um dieser Brandgefahr vorzubeugen, muss bei Auftreten eines zu hohen elektrischen Stromes, d.h. eines Überlaststromes oder eines Kurzschlussstromes, dieser elektrische Strom rechtzeitig abgeschaltet werden. Mit Hilfe einer sogenannten ÜberstromSchutzeinrichtung wird dies gewährleistet.
Ein Beispiel für eine derartige Überstromschutzeinrichtung ist beispielsweise eine Schmelzsicherung, die durch das Abschmelzen eines oder mehrerer Schmelzleiter den Stromkreis unterbricht, wenn die Stromstärke des durch die Schmelzsicherung abgesicherten Stromkreises einen bestimmten Wert über eine bestimmte Zeitdauer hinweg überschreitet. Die Schmelzsicherung besteht aus einem isolierenden Körper, welcher zwei elektrische Anschlüsse aufweist, die im Inneren des isolierenden Körpers durch einen oder mehrere Schmelzleiter elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Der Schmelzleiter, welcher einen im Vergleich zu den übrigen Leitern des Stromkreises reduzierten Querschnitt aufweist, wird durch den ihn durchfließenden Strom erwärmt und schmilzt, wenn der maßgebliche Nennstrom der Sicherung für eine vorbestimmte Zeitdauer deutlich überschritten wird. Aufgrund seiner guten Isolationseigenschaften wird als Material für den isolierenden Körper zumeist Keramik verwendet. Ein derartiger Schmelzsicherungseinsatz ist beispielsweise aus der europäischen Patentschrift EP 0 917 723 B1 oder den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2014 205 871 A1 sowie DE 10 2016 211 621 A1 prinzipiell vorbekannt.
Schmelzsicherungen sind in verschiedenen Bauarten erhältlich. Neben einfachen Gerätesicherungen, welche einen einfachen Glaszylinder, in dem der Schmelzleiter aufgenommen ist, aufweisen, existieren auch Bauformen, bei denen der Keramikkörper mit Sand - zumeist Quarzsand - gefüllt ist: Hierbei wird zwischen Typen mit verfestigtem sowie mit unverfestigtem Quarzsand unterschieden. Bei einer mit Sand verfestigten Schmelzsicherung ist der Schmelzleiter von Quarzsand umgeben. In der Regel ist das Gehäuse der Schmelzsicherung dabei durch einen Keramikkörper, in dem der verfestigte Sand, die elektrischen Anschlüsse sowie der Schmelzleiter aufgenommen bzw. gehalten sind, gebildet. Der Quarzsand fungiert hierbei als Lichtbogenlöschmittel: wird der Nennstrom der Schmelzsicherung deutlich überschrittenen - beispielsweise aufgrund eines hohen Kurzschlussstromes - so führt dies zu einem Ansprechen der Schmelzsicherung, in dessen Verlauf der Schmelzleiter zunächst schmilzt und anschließend aufgrund der hohen Temperaturentwicklung verdampft. Dabei entsteht ein elektrisch leitendes Plasma, über das der Stromfluss zwischen den elektrischen Anschlüssen zunächst aufrecht erhalten wird - es bildet sich ein Lichtbogen. Indem sich der Metalldampf des verdampften Schmelzleiters auf der Oberfläche der Quarzsandkörner niederschlägt, wird der Lichtbogen wiederum abgekühlt. In der Folge steigt der Widerstand im Inneren des Sicherungseinsatzes derart an, dass der Lichtbogen endgültig verlischt. Die durch die Schmelzsicherung zu schützende elektrische Leitung ist damit unterbrochen.
Aus dem Stand der Technik sind im Bereich der Schmelzsicherungen Niederspannungs-Hochleistungssicherungen, sogenannte NH-Sicherungen, aber auch Halbleiterschutzsicherungen, sogenannte HLS-Sicherungen, wie sie beispielsweise unter dem Produktnamen SITOR vertrieben werden, prinzipiell vorbekannt. Bei NH-Sicherungen werden üblicherweise ein oder mehrere Schmelzleiter in Form von Metallbändern verwendet. Dabei weisen die Schmelzleiter zumeist sogenannte Engstellenreihen zur selektiven Ausschaltung der Schmelzsicherung auf. Weiterhin kann auf einen oder mehrere der Schmelzleiter zumindest ein Lotdepot aufgebracht sein, mit dessen Hilfe die Überlastcharakteristik der Schmelzsicherung beeinflussbar ist. Der für das Abschaltverhalten der Sicherung maßgebliche Durchlassenergiewert I²t ist bei NH-Sicherungen relativ groß, weswegen diese eine eher trägere Charakteristik aufweisen.
Erwärmt sich der Schmelzleiter durch einen elektrischen Überlaststrom auf eine Temperatur, welche oberhalb der Schmelztemperatur des Lotes liegt, so diffundiert dieses Lot in das Schmelzleitermaterial ein und bildet mit diesem eine Legierung. Dadurch erhöht sich der elektrische Widerstand des Schmelzleiters, was zu dessen weiterer Erwärmung führt, wodurch der Diffusionsvorgang solange weiter beschleunigt wird, bis der Schmelzleiter in der Umgebung des Lotdepots vollständig aufgelöst ist, so dass er abreißt, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird. Bei einem kurzzeitigen, zulässigen Überstrom erfolgt keine vorzeitige Ausschaltung durch die NH-Sicherung. Bei Auftreten eines Kurzschluss-Stromes hingegen reißt der Schmelzleiter an den Engstellenreihen auf. Dadurch entstehen gleichzeitig mehrere kleine, in Reihe geschaltete Lichtbögen, deren Spannungen sich addieren und damit zu einer schnelleren Ausschaltung der Schmelzsicherung führen. NH-Sicherungen dienen beispielsweise zum Schutz von Anlagen oder Schaltschränken vor Brand, beispielsweise durch überhitzte Anschlussleitungen.
Seitens der Betreiber elektrischer Anlagen besteht der Wunsch, den Zustand einer elektrischen Anlage abfragen zu können. In der Vergangenheit erfolgte dies oftmals mittels einer Sichtprüfung - im Falle von Schmelzsicherungen beispielsweise dadurch, dass die Sicherungen mit einem Kennmelder ausgestattet sind, welcher ein Auslösen der jeweiligen Sicherung außen am Gehäuse der betreffenden Sicherung optisch signalisiert. Für die Zukunft wird jedoch vermehrt gefordert, diese Information jederzeit und möglichst ortsunabhängig abfragen zu können, beispielsweise über eine Leitwarte. Aus diesem Grund werden elektrische Installationsgeräte vermehrt dazu ertüchtigt, Informationen über ihren Betriebszustand bereitzustellen. Elektrische Schaltgeräte wie beispielsweise Brandschutzschalter, die bereits über eine eigene Steuerungslogik verfügen, können mit relativ geringem Aufwand dazu ertüchtigt werden, entsprechende Informationen aufzubereiten und bereitzustellen.
Bei Schmelzsicherungen gibt es entsprechende Lösungen, indem mittels eines an die Sicherung anbaubaren Kommunikationsmoduls die vom Kennmelder optisch bereitgestellte „Ausgelöst“-Information aufzunehmen und weiterzuleiten. Anbaubare Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass sie zusätzlichen Bauraum benötigen und daher in bereits bestehenden Installationen nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand eingesetzt werden können. Für einen einfachen Retrofit-Einsatz, bei dem eine bestehende Sicherung ohne Kommunikationsmodul durch eine neue Sicherung mit einem entsprechenden Kommunikationsmodul im Sinne einer Nachrüstung oder Modernisierung der Anlage ersetzt wird, kommen diese anbaubaren Lösungen oftmals nicht zum Einsatz, da der hierfür benötigte, zusätzliche Bauraum nicht zur Verfügung steht.
Zur Lösung dieses vor allem bei Retrofit-Anwendungen auftretenden Problems des begrenzten Bauraums ist in der internationalen Patentanmeldung WO 2017/078525 A1 eine Schmelzsicherung beschrieben, bei der eine Stromsensor in den Druckkörper der Schmelzsicherung integriert ist. Mit Hilfe dieses Stromsensors kann der im Normalbetrieb auftretende Stromfluss durch die Schmelzsicherung gemessen und an eine außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Abfrage-Einheit übermittelt werden. Da in einer Schmelzsicherung jedoch auch vergleichsweise hohe Temperaturen auftreten können, ist es fraglich, wie zuverlässig ein in den Druckkörper der Schmelzsicherung integrierter Sensor über die Lebensdauer der Schmelzsicherung hinweg funktioniert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schmelzsicherung, einen Sicherungskörper, ein System zur Zustandsüberwachung eines elektrischen Stromkreises mit zumindest einer derartigen Schmelzsicherung sowie ein Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Stromkreises, welcher zumindest ein Zustandsüberwachungs-System mit zumindest einer Schmelzsicherung aufweist, bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Probleme zumindest teilweise überwinden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schmelzsicherung, das Zustandsüberwachungs-System sowie das Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Stromkreises gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung sowie des erfindungsgemäßen Sicherungskörpers sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Schmelzsicherung weist ein Schutzgehäuse auf, aus dem zwei elektrische Anschlusselemente der Schmelzsicherung herausgeführt sind und in dem zumindest ein Schmelzleiter angeordnet ist, welcher die beiden Anschlusselemente in dem Schutzgehäuse elektrisch leitend miteinander verbindet. Weiterhin weist die Schmelzsicherung eine Messvorrichtung auf, welche ein Sensorelement zum Erfassen eines physikalischen Zustandsmesswertes der Schmelzsicherung sowie eine Übertragungseinrichtung zur Übertragung des Messwertes an eine außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Empfangsvorrichtung aufweist. Die Messvorrichtung weist dabei ein eigenes Gehäuse auf, in dem das Sensorelement aufgenommen und gehalten ist und das mit dem Schutzgehäuse mechanisch verbunden ist, wobei der für das Schutzgehäuse sowie das weitere Gehäuse insgesamt benötigte Bauraum dem Bauraum einer standardisierten NH-Sicherung entspricht.
Das Schutzgehäuse, welches auch als Druckgehäuse oder Druckkörper bezeichnet werden kann, dient dazu, den bei der Erwärmung oder einer Auslösung der Sicherung auftretenden Druck aufzunehmen. Daher werden hohe Anforderungen an die mechanische Festigkeit und Stabilität des Schutzgehäuses gestellt. Im Gegensatz dazu dient das Gehäuse der Messvorrichtung dazu, das Sensorelement aufzunehmen, zu fixieren und vor äußeren Beeinträchtigungen wie Feuchtigkeit und/oder Schmutz zu schützen. An die mechanische Stabilität dieses Gehäuses werden daher deutlich geringere Anforderungen gestellt.
Die beiden Gehäuse sind mechanisch miteinander verbunden. Diese Verbindung kann fest aber lösbar ausgebildet sein, beispielsweise in Gestalt einer Schraubverbindung. Es ist jedoch ebenso möglich, das Schutzgehäuse und das Gehäuse der Messvorrichtung einstückig auszubilden, wobei der dem Schutzgehäuse entsprechende Teilbereich die erforderliche mechanische Stabilität eines Druckgehäuses aufweist. Erfindungswesentlich ist jedoch, dass der von Schutzgehäuse und Gehäuse der Messvorrichtung beanspruchte Bauraum in Summe dem vordefinierten Bauraum einer standardisierten NH-Sicherung entspricht, wobei in diesem Bauraum nun eben zusätzlich die Messvorrichtung integriert angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Schmelzsicherung auch für Retrofit-Anwendungen im Rahmen einer Nachrüstung oder Modernisierung bestehender Anlagen, bei denen eine herkömmliche Schmelzsicherung ohne Messvorrichtung ersetzt wird, eingesetzt werden.
Die Messvorrichtung ist dabei dazu ausgebildet, einen physikalischen Zustandsmesswert der Schmelzsicherung, d.h. einen physikalischen Messewert, welcher den Betriebszustand der Schmelzsicherung charakterisiert, zu erfassen und mit Hilfe der Übertragungseinrichtung an die außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Empfangsvorrichtung zu übertragen. Hierfür kommen beispielsweise elektrische Messgrößen wie elektrischer Strom und/oder elektrische Spannung, aber auch andere physikalische Messgrößen wie beispielsweise die Temperatur der Schmelzsicherung in Betracht. Auf diese Weise kann nicht nur eine digitale Aussage dahingehend getroffen werden, ob die Schmelzsicherung ausgelöst hat oder nicht. Vielmehr ist es durch die Erfassung der aktuellen Temperatur der Schmelzsicherung auch möglich, eine Aussage dahingehend zu treffen, ob die Schmelzsicherung in Kürze auslösen wird oder nicht, bzw. in welchem Zustand sich die Schmelzsicherung gegenwärtig befindet und wie groß dementsprechend ihre restliche Lebensdauer ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung weist die Messvorrichtung ein weiteres Sensorelement zum Erfassen eines weiteren physikalischen Zustands-Messwertes der Schmelzsicherung auf.
Mit Hilfe des weiteren Sensorelements, kann ein weiterer physikalischen Zustands-Messwertes der Schmelzsicherung - beispielsweise Strom und Spannung - erfasst und an die außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Empfangsvorrichtung übertragen werden. Auf diese Weise kann der aktuelle Betriebszustand der Schmelzsicherung genauer ermittelt werden. Das weitere Sensorelement kann dabei ebenfalls im Gehäuse der Messeinrichtung aufgenommen und gehalten sein.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung ist auch die Übertragungseinrichtung in dem Gehäuse des Sensorelements angeordnet. Die Übertragungseinrichtung kann dabei entweder in dem vom Gehäuse des Sensorelements umschlossenen Hohlraum angeordnet sein. Es wäre jedoch auch möglich, die Übertragungseinrichtung vollständig oder teilweise in die Gehäusewand zu integrieren. Auf diese Weise ist eine kompakte Schmelzsicherung realisierbar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung weist die Messvorrichtung zur Verarbeitung des Messwertes ferner eine Verarbeitungseinrichtung auf, welche ebenfalls in dem Gehäuse des Sensorelements angeordnet und mit dem Sensorelement sowie der Übertragungseinrichtung gekoppelt ist. Die Verarbeitungseinrichtung ist dabei sowohl mit dem Sensorelement als auch mit der Übertragungseinrichtung elektrisch gekoppelt. Diese Kopplung ist dabei elektrisch leitend, d.h. kabelgebunden, aber auch kabellos, beispielsweise über Funk, realisierbar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung weist die Verarbeitungseinrichtung einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller auf. Vorteilhafter Weise weist die Verarbeitungseinrichtung einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller auf, welcher eine Verarbeitung, beispielsweise eine Aggregation der erfassten Messdaten ermöglicht und nur bei Vorliegen einer vordefinierten Bedingung ein entsprechendes Signal an die Übertragungseinrichtung leitet, um dieses an die außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Empfangsvorrichtung zu senden. Das Datenaufkommen wird dadurch deutlich reduziert.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung ist das Sensorelement zur Erfassung eines Strom-Messwertes der Schmelzsicherung ausgebildet und weist hierzu einen Stromwandler oder einen Hall-Effekt-Sensor auf.
Als Stromwandler kommt beispielsweise eine Rogowski-Spule in Betracht. Hierbei handelt es sich um eine toroidförmige Luftspule, welche keinen ferromagnetischen Kern aufweist und unter anderem zur Messung von Wechselstrom eingesetzt wird. Die Rogowski-Spule ist auch als „Rogowski-Stromwandler“ bekannt. Bei einem Hall-Effekt-Sensor, welcher auch als Hall-Sensor, Hall-Sonde oder Hall-Geber bezeichnet wird, wird der sogenannte Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern ausgenutzt: wird ein einfacher Hall-Sensor von einem Strom durchflossen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magnetischer Flussdichte und Strom ist. Sowohl ein Stromwandler als auch ein Hall-Effekt-Sensor stellen für den vorliegenden Anwendungsfall aufgrund ihrer geringen Baugröße geeignete Sensorelemente dar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung ist das Sensorelement zur Erfassung eines Temperatur-Messwertes der Schmelzsicherung ausgebildet.
Die Erfassung der im Inneren der Schmelzsicherung vorliegenden Temperatur ermöglicht nicht nur eine Aussage dahingehend, ob die Schmelzsicherung bereits ausgelöst hat, sondern erlaubt es darüber hinaus, eine Voraussage dahingehend zu treffen, ob die Schmelzsicherung in Kürze auslösen wird oder nicht. Auf diese Weise ist zum Einen die Möglichkeit gegeben, gegebenenfalls vor einem Auslösen der Schmelzsicherung noch korrigierend eingreifen zu können. Zum Anderen ist diese Information auch für die Planung einer vorbeugenden Wartung äußerst hilfreich.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung erfolgt die Übertragung des Messwertes von der Übertragungseinrichtung an die Empfangsvorrichtung drahtlos. Für eine kabellose oder drahtlose Übertragung des Messwertes von der Übertragungseinrichtung an die Empfangsvorrichtung kommen beispielsweise Übertragungsverfahren wie Bluetooth, RFID (sowohl aktiv als auch passiv), Zigbee, etc. in Betracht.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung ist die Messvorrichtung energie-autark ausgebildet. Hierunter ist zu verstehen, dass die Messvorrichtung ohne externe Energiequelle auskommt. Die zur Übertragung des Messsignals benötigte Energie wird dann beispielsweise über einen Stromwandler, über passiv-RFID oder mit Hilfe einer eigenen Batterie zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise wird die Nachrüstung bestehender Anlagen deutlich vereinfacht.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Schmelzsicherung ist eines der beiden Anschlusselemente durch das Gehäuse der Messvorrichtung hindurchgeführt. Insbesondere bei Verwendung eines Stromwandlers stellt ein torusförmiges Gehäuse, welches auf eines der beiden Anschlusselemente der Schmelzsicherung aufgesteckt wird, eine platzsparende Lösung zur Integration der Messvorrichtung in die Schmelzsicherung dar.
Der erfindungsgemäße Sicherungskörper für eine Schmelzsicherung der vorstehend beschriebenen Art weist einen zur Aufnahme des Schmelzleiters ausgebildeten ersten Aufnahmeraum sowie einen zur Aufnahme der Messvorrichtung ausgebildeten, vom ersten Aufnahmeraum räumlich abgegrenzten zweiten Aufnahmeraum auf, wobei der zweite Aufnahmeraum mit dem ersten Aufnahmeraum eine bauliche Einheit bildet.
Der erste Aufnahmeraum des Sicherungskörpers ist dabei druckstabil, d.h. zur Aufnahme des beim Auslösen der Schmelzsicherung auftretenden Drucks ausgebildet ausgebildet und stellt somit den Druckkörper der Schmelzsicherung dar, während der zweite Aufnahmeraum lediglich eine Schutzfunktion für die Messvorrichtung darstellt, an dessen mechanische Stabilität und Festigkeit deutlich geringere Anforderungen gestellt werden. Der erste und der zweite Aufnahmeraum bilden dabei eine bauliche Einheit, d.h. die beiden Körper müssen bei Austausch oder Montage der Schmelzsicherung nicht erst montiert werden, sondern sind bereits fest miteinander verbunden, wodurch der Montageaufwand deutlich vereinfacht wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist durch den ersten und den zweiten Aufnahmeraum ein einstückiger Sicherungskörper gebildet. Insbesondere im Hinblick auf die Herstellung des Sicherungskörpers mittels eines Additive-Manufacturing-Verfahrens, umgangssprachlich auch als „3D-Druck“ bezeichnet, ist eine einstückige Ausführung des Sicherungskörpers vorteilhaft, da hierdurch nachgelagerte Montageschritte vermieden werden. Die Herstellkosten des Sicherungskörpers können dadurch weiter reduziert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der einstückige Sicherungskörper aus einem keramischen Werkstoff oder einem thermostabilen Kunststoff gebildet. Keramische Werkstoffe sind aufgrund ihrer hohen Druckfestigkeit zur Herstellung eines Sicherungskörpers besonders geeignet. Thermostabile Kunststoffe, sofern sie ausreichend wärmestabil sind, zeichnen sich hingegen durch ihre vereinfachte Verarbeitbarkeit bei gleichzeitig vergleichsweise niedrigen Herstellkosten aus.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Sicherungskörpers sind der erste Aufnahmeraum und der zweite Aufnahmeraum fest aber lösbar miteinander verbunden. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass nach einem Auslösen der Sicherung der zweite Aufnahmeraum, in dem die Messvorrichtung aufgenommen ist, ggf. wiederverwendet werden kann. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn die Material- und Herstellkosten der Messvorrichtung im Vergleich zur restlichen Schmelzsicherung vergleichsweise hoch sind.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Sicherungskörpers sind der erste Aufnahmeraum und der zweite Aufnahmeraum aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet. Auf diese Weise sind beide Aufnahmeräume an die unterschiedlichen, jeweils an sie gestellten Anforderungen anpassbar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Sicherungskörpers sind die zur baulichen Einheit zusammengefassten Aufnahmeräume von einer zusätzlichen Hülle umgeben. Mit Hilfe der zusätzlichen Hülle, die beispielsweise auch aus Papier oder einem Kunststoff-Überzug bestehen kann, wird die bauliche Einheit des Sicherungskörpers betont.
Das erfindungsgemäße System zur Zustandsüberwachung eines elektrischen Stromkreises weist zumindest eine Schmelzsicherung der vorstehend beschriebenen Art auf. Weiterhin weist das System eine Empfangsvorrichtung auf, welche außerhalb der Schmelzsicherung angeordnet und zum Empfang eines von der Übertragungseinrichtung übertragenen Messwertes ausgebildet ist.
Mit Hilfe des Systems zur Zustandsüberwachung eines elektrischen Stromkreises wird der zumindest eine physikalische Zustandsmesswert der Schmelzsicherung mittels der Übertragungseinrichtung der Schmelzsicherung an die Empfangsvorrichtung - beispielsweise an eine Leitwarte - übertragen. Auf diese Weise ist eine Überwachung des Zustands der Schmelzsicherung auch aus der Ferne möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Stromkreises, welcher zumindest ein Zustandsüberwachungssystem der vorstehend beschriebenen Art mit zumindest einer Schmelzsicherung aufweist, besteht aus den Schritten:

a) Messen eines physikalischen Messwertes der Schmelzsicherung mit Hilfe der Messvorrichtung;
b) Übertragen des physikalischen Messwertes mit Hilfe der Übertragungseinrichtung an einen außerhalb der Schmelzsicherung angeordnete Empfangsvorrichtung des Systems;
c) Weiter-Verarbeiten des übertragenen Messwertes.

Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung eines elektrischen Stromkreises mit zumindest einem Zustandsüberwachungs-System der vorstehend beschriebenen Art wird auf die vorstehenden Ausführungen zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung sowie des erfindungsgemäßen Sicherungskörpers verwiesen. Hinsichtlich der in Schritt b) formulierten Übertragung des physikalischen Messwertes sei angemerkt, dass hierunter sowohl eine Übertragung der reinen Messwerte, d.h. der Rohdaten, als auch eine Übertragung von mittels der Verarbeitungseinrichtung vorverarbeiteten - beispielsweise aggregierten oder komprimierten - Messwerten zu verstehen sind.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Schmelzsicherung sowie des Sicherungskörpers unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:

1 eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten NH-Sicherung;
2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung gilt für alle Zeichnungsfiguren, in denen das entsprechende Teil ebenfalls zu erkennen ist.
1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau einer standardisierten NH-Schmelzsicherung, wie sie aus dem Stand der Technik bereits vorbekannt ist. Die Schmelzsicherung 1 weist zwei Anschlusselemente 3 auf, welche aus einem elektrisch leitenden Werkstoff, beispielsweise Kupfer, bestehen. In den Darstellungen sind die Anschlusselemente 3 als Messerkontakte ausgebildet - dies ist jedoch nicht erfindungswesentlich. Die Anschlusselemente 3 sind mechanisch fest und dicht mit einem Schutzgehäuse 2 verbunden, welches aus einem festen, nichtleitenden und möglichst hitzebeständigen Werkstoff, beispielsweise aus einer Keramik, besteht und als Druckkörper für die Schmelzsicherung 1 dient. Das Schutzgehäuse 2 weist im Allgemeinen eine röhren- oder hohlzylinderförmige Grundform auf und ist nach außen druckdicht, beispielsweise mit Hilfe zweier Verschlusskappen 4, verschlossen. Die Anschlusselemente 3 erstrecken sich dabei jeweils durch eine in den Verschlusskappen 4 ausgebildete Öffnung in den Hohlraum des Schutzgehäuses 2. In diesem Hohlraum ist zumindest ein sogenannter Schmelzleiter 5 angeordnet, welcher die beiden Anschlusselemente 3 elektrisch leitend miteinander verbindet.
Der verbleibende Hohlraum ist zumeist vollständig mit einem Löschmittel 6 befüllt, welches zum Löschen und Kühlen der Schmelzsicherung 1 im Auslösefall dient und den Schmelzleiter 5 vollständig umgibt. Als Löschmittel 6 wird beispielsweise Quarzsand verwendet. Anstelle des in 1 dargestellten einen Schmelzleiters 5 ist es ebenso möglich, mehrere Schmelzleiter 5 elektrisch zueinander parallel geschaltet in dem Schutzgehäuse 2 anzuordnen und entsprechend mit den beiden Kontaktelementen 3 zu kontaktieren. Durch Art, Anzahl, Anordnung und Gestaltung der Schmelzleiter 3 kann die Auslösekennlinie - und damit das Auslöseverhalten - der Schmelzsicherung 1 beeinflusst werden.
Der Schmelzleiter 5 besteht im Allgemeinen aus einem gut leitenden Werkstoff wie Kupfer oder Silber und weist über seine Länge, d.h. in seiner Längserstreckungsrichtung L, mehrere Engstellenreihen 7 sowie ein oder mehrere Lotdepots 8 - sogenannte Lotpunkte - auf. Über die Engstellenreihen 7 sowie die Lotpunkte 8 kann ebenfalls die Auslösekennlinie der Schmelzsicherung 1 beeinflusst und an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Bei Strömen, die kleiner sind als der Nennstrom der Schmelzsicherung 1, wird im Schmelzleiter 5 nur so viel Verlustleistung umgesetzt, dass diese in Form von Wärme schnell über den Löschsand 6, das Schutzgehäuse 2 sowie die beiden Anschlusselemente 3 nach außen abgegeben werden kann. Die Temperatur des Schmelzleiters 5 steigt dabei nicht über dessen Schmelzpunkt hinaus an. Fließt ein Strom, der im Überlastbereich der Schmelzsicherung 1 liegt, so steigt die Temperatur im Inneren der Schmelzsicherung 1 stetig weiter an, bis der Schmelzpunkt des Schmelzleiters 5 überschritten wird und dieser an einer der Engstellenreihen 7 durchschmilzt. Bei hohen Fehlerströmen - wie sie beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses auftreten - wird so viel Energie im Schmelzleiter 5 umgesetzt, dass dieser praktisch auf der ganzen Länge aufgeheizt wird und infolge dessen an allen Engstellenreihen 7 gleichzeitig schmilzt.
Da flüssiges Kupfer bzw. Silber noch gute elektrisch leitende Eigenschaften aufweist, wird der Stromfluss zu diesem Zeitpunkt noch nicht unterbrochen. Die aus dem Schmelzleiter 5 gebildete Schmelze wird folglich weiter aufgeheizt, bis sie schließlich in den gasförmigen Zustand übergeht, wodurch sich ein Plasma bildet. Dabei entsteht ein Lichtbogen, um den Stromfluss über das Plasma weiter aufrecht zu erhalten. Im letzten Stadium einer Sicherungsabschaltung reagieren die leitfähigen Gase mit dem Löschmittel 6, welches bei konventionellen Schmelzsicherungen 1 zumeist aus Quarzsand besteht. Dieser wird aufgrund der durch den Lichtbogen bedingten, extrem hohen Temperaturen im Umfeld des Lichtbogens aufgeschmolzen, was zu einer physikalischen Reaktion des geschmolzenen Schmelzleitermaterials mit dem umgebenden Quarzsand 6 führt. Da das dabei entstehende Reaktionsprodukt elektrisch nicht leitend ist, sinkt der Stromfluss zwischen den beiden Anschlusselementen 3 rasch gegen Null ab. Dabei ist jedoch zu beachten, dass einer bestimmten Masse an Schmelzleitermaterial auch eine entsprechende Masse an Löschmittel erfordert. Nur so kann sichergestellt werden, dass am Ende der Sicherungsabschaltung noch genügend Löschmittel 6 vorhanden ist, um das gesamte leitfähige Plasma wirksam zu binden.
In 2 ist die erfindungsgemäße Schmelzsicherung 1 schematisch dargestellt. Die Schmelzsicherung weist ein Schutzgehäuse 2 sowie ein weiteres Gehäuse 12 auf, welche in der Längserstreckungsrichtung L hintereinander liegend angeordnet sind und insgesamt die Höhe H einer standardisierten NH-Sicherung (wie sie in 1 darstellt) erreichen. In dem weiteren Gehäuse 12 ist eine Messvorrichtung 10 angeordnet, welche ein Sensorelement 11 zum Erfassen eines physikalischen Zustands-Messwertes der Schmelzsicherung 1 sowie eine Übertragungseinrichtung 13 zur Übertragung des Messwertes an einen außerhalb der Schmelzsicherung 1 angeordnete Empfangsvorrichtung (nicht dargestellt) aufweist. Das Sensorelement 11 ist vorliegend als Stromwandler zur Messung eines durch die Schmelzsicherung 1 fließenden elektrischen Stromes I ausgebildet; es kommen hierfür alternativ oder zusätzlich aber auch andere Sensorelemente, beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein Temperatur-Sensor in Betracht.
Erfindungswesentlich hingegen ist, dass die Messvorrichtung ein eigenes Gehäuse 12 aufweist, in dem das zumindest eine Sensorelement aufgenommen und gehalten ist und das mit dem Schutzgehäuse mechanisch verbunden ist - in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels mittels einer Schraube 9, wobei hierfür auch andere Verbindungsmittel in Frage kommen. Dabei ist der für das Schutzgehäuse 2 sowie das weitere Gehäuse 12 insgesamt benötigte Bauraum genauso groß wie der Bauraum einer standardisierten NH-Sicherung. Mit anderen Worten: der von Schutzgehäuse 2 und weiterem Gehäuse 12 beanspruchte Bauraum entspricht in Summe dem vordefinierten Bauraum einer standardisierten NH-Sicherung, wobei in diesem Bauraum nun eben zusätzlich zur eigentlichen Schmelzsicherung noch die Messvorrichtung integriert angeordnet ist. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Schmelzsicherung 1 auch für Retrofit-Anwendungen im Rahmen einer Nachrüstung oder Modernisierung bestehender elektrotechnischer Anlagen, in deren Rahmen eine herkömmliche Schmelzsicherung ohne Messvorrichtung durch die erfindungsgemäße Schmelzsicherung ersetzt werden soll, eingesetzt werden.
Folglich weist die erfindungsgemäße Schmelzsicherung 1 in ihrer Längserstreckungsrichtung L dieselbe Höhe H auf wie die in 1 darstellte, standardisierte NH-Sicherung. Jedoch teilt sich die Höhe H bei der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung 1 in einen ersten Abschnitt mit einer ersten Höhe H_D sowie einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Höhe H_M auf. Mit der ersten Höhe H_D ist dabei die Höhe des Druckkörpers 2, d.h. des eigentlichen Schutzkörpers 2 der Schmelzsicherung 1 bezeichnet, die zweite Höhe H_M bezieht sich auf die Höhe des zweiten Gehäuses 12, in dem die Messvorrichtung 10 angeordnet ist. An dieses Gehäuse werden auch deutlich geringere Anforderungen hinsichtlich seiner mechanischen Stabilität gestellt.
Das Sensorelement 11 ist mit der Verarbeitungseinrichtung 14, welche in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel schematisch als Leiterplatte dargestellt ist, welche mit zur Verarbeitung des Messsignals geeigneten Bauelementen bestückt ist, elektrisch leitend verbunden. Ebenso ist die Übertragungseinrichtung 13 mit der als Leiterplatte dargestellten Verarbeitungseinrichtung 14 elektrisch leitend verbunden. Bei der Übertragungseinrichtung 13 kann es sich beispielsweise um ein RFID-Modul handeln, wobei sowohl aktive RFID als auch passive RFID Lösungen in Frage kommen. Auch andere - vorteilhafter Weise drahtlose - Übertragungstechniken wie Bluetooth oder Zigbee kommen hierfür in Betracht. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Übertragungseinrichtung 13 in die Wandung des weiteren Gehäuses 12 integriert. Dies hat den Vorteil, dass die Sendeleistung deutlich geringer sein kann als bei einer im Inneren des Gehäuses 12 angeordneten Übertragungseinrichtung 13, wobei eine Anordnung im Inneren des Gehäuses ebenso möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: Schmelzsicherung
2: Schutzgehäuse / Druckkörper
3: Anschlusselement
4: Verschlusskappe
5: Schmelzleiter
6: Löschmittel
7: Engstellenreihe
8: Lotdepot
9: Schraube
10: Messvorrichtung
11: Sensorelement
12: Gehäuse
13: Übertragungseinrichtung
14: Verarbeitungseinrichtung
H: Höhe
L: Längserstreckungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0917723 B1 [0003]
DE 102014205871 A1 [0003]
DE 102016211621 A1 [0003]
WO 2017/078525 A1 [0009]

Claims

Schmelzsicherung (1) mit integrierter Messfunktion, - mit einem Schutzgehäuse (2), aus dem zwei elektrische Anschlusselemente (3, 4) der Schmelzsicherung (1) herausgeführt sind und in dem zumindest ein Schmelzleiter (5) angeordnet ist, welcher die beiden Anschlusselemente (3, 4) in dem Schutzgehäuse (2) elektrisch leitend miteinander verbindet, - mit einer Messvorrichtung (10), welche ein Sensorelement (11) zum Erfassen eines physikalischen Zustands-Messwertes der Schmelzsicherung (1) sowie eine Übertragungseinrichtung (13) zur Übertragung des Messwertes an eine außerhalb der Schmelzsicherung (1) angeordnete Empfangsvorrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, - dass die Messvorrichtung (10) ein eigenes Gehäuse (12) aufweist, in dem das Sensorelement (11) aufgenommen und gehalten ist und das mit dem Schutzgehäuse (2) mechanisch verbunden ist, wobei der für das Schutzgehäuse (2) sowie das weitere Gehäuse (12) insgesamt benötigte Bauraum dem Bauraum einer standardisierten NH-Sicherung entspricht.
Schmelzsicherung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) ein weiteres Sensorelement (11) zum Erfassen eines weiteren physikalischen Zustands-Messwertes der Schmelzsicherung (1) aufweist.
Schmelzsicherung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Übertragungseinrichtung (13) in dem Gehäuse (12) des Sensorelements (11) angeordnet ist.
Schmelzsicherung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) eine Verarbeitungseinrichtung (14) zur Verarbeitung des Messwertes aufweist, welche in dem Gehäuse (12) angeordnet und mit dem Sensorelement (11) sowie der Übertragungseinrichtung (13) gekoppelt ist.
Schmelzsicherung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (14) einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller aufweist.
Schmelzsicherung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11) zur Erfassung eines Strom-Messwertes der Schmelzsicherung (1) ausgebildet ist und hierzu einen Stromwandler oder einen Hall-Effekt-Sensor aufweist.
Schmelzsicherung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11) zur Erfassung eines Temperatur-Messwertes der Schmelzsicherung (1) ausgebildet ist.
Schmelzsicherung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung des Messwertes von der Übertragungseinrichtung (13) an die Empfangsvorrichtung drahtlos erfolgt.
Schmelzsicherung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) energie-autark ausgebildet ist.
Schmelzsicherung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Anschlusselemente (3, 4) durch das Gehäuse (12) der Messvorrichtung (10) hindurchgeführt ist.
Sicherungskörper für eine Schmelzsicherung (1), die nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist, - mit einem zur Aufnahme des Schmelzleiters (5) ausgebildeten ersten Aufnahmeraum, und - mit einem zur Aufnahme der Messvorrichtung (10) ausgebildeten, vom ersten Aufnahmeraum räumlich abgegrenzten zweiten Aufnahmeraum, - wobei der zweite Aufnahmeraum mit dem ersten Aufnahmeraum eine bauliche Einheit bildet.
Sicherungskörper nach Anspruch 11, wobei der erste Aufnahmeraum und der zweite Aufnahmeraum einen einstückigen Sicherungskörper bilden.
Sicherungskörper nach Anspruch 12, wobei der einstückig Sicherungskörper aus einem keramischen Werkstoff gebildet ist.
Sicherungskörper nach Anspruch 11, wobei der erste Aufnahmeraum und der zweite Aufnahmeraum fest aber lösbar miteinander verbunden sind.
Sicherungskörper nach Anspruch 14, wobei der erste Aufnahmeraum und der zweite Aufnahmeraum aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind.
Sicherungskörper nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zur baulichen Einheit zusammengefassten Aufnahmeräume von einer zusätzlichen Hülle umgeben sind.
System zur Zustandsüberwachung eines elektrischen Stromkreises, - mit zumindest einer Schmelzsicherung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10, - mit einer Empfangsvorrichtung, welche außerhalb der Schmelzsicherung (1) angeordnet und zum Empfang eines von der Übertragungseinrichtung (13) übertragenen Messwertes ausgebildet ist.
Verfahren zur Überwachung eines elektrischen Stromkreises, welcher zumindest ein Zustandsüberwachungs-System nach Anspruch 17 mit zumindest einer Schmelzsicherung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, mit den Schritten: - Messen eines physikalischen Messwertes der Schmelzsicherung (1) mit Hilfe der Messvorrichtung (10); - Übertragen des physikalischen Messwertes mit Hilfe der Übertragungseinrichtung (13) an einen außerhalb der Schmelzsicherung (1) angeordnete Empfangsvorrichtung des Systems; - Weiter-Verarbeiten des übertragenen Messwertes.