DE19506547A1 - Ganzbereichs-Stromrichtersicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherung, insbesondere eine Ganzbereichs-Stromrichtersicherung, mit mindestens einem Schmelzleiter von der Dicke d, der mindestens eine Engstel­ lenreihe mit n_NE Engstellen mit stetiger Querschnittsänderung der Länge l_NE und der Breite b_NE aufweist.

NH-Sicherungen sind druckschriftlich bekannt (siehe Siemens- Broschüre, Bestell-Nr. A19.100-J21-A337-V1). Bei NH-Siche­ rungen werden üblicherweise ein oder mehrere Schmelzleiter in Form von Kupferbändern verwendet. In jedem Schmelzleiter sind Engstellen zur selektiven Ausschaltung ausgestanzt. Auf den Schmelzleiter ist ein Lotdepot in Form von nietförmigen Punk­ ten oder mit Lot ausgefüllten Schlaufen (siehe Fig. 7) zur Beeinflussung der Überlastcharakteristik aufgebracht. Erwärmt sich der Schmelzleiter durch einen Überstrom über die Schmelztemperatur des Lots, diffundiert dieses in das Schmelzleitermaterial und legiert mit diesem. Dadurch erhöht sich der elektrische Widerstand, was zu einer weiteren Erwär­ mung führt, wodurch der Diffusionsprozeß noch mehr beschleu­ nigt wird, bis der Schmelzleiter in der Umgebung des Lot­ depots vollständig aufgelöst ist, so daß dieser abreißt und der Strom unterbrochen wird. Bei kurzzeitigem, zulässigem Überstrom erfolgt keine vorzeitige Ausschaltung durch die NH- Sicherung. Dagegen reißen alle Engstellen des Schmelzleiters bei genügend hohem Kurzschlußstrom auf. Es entstehen gleich­ zeitig viele kleine in Reihe geschaltete Lichtbögen, deren Spannung sich addieren und zur schnellen Ausschaltung führen.

NH-Sicherungen haben eine relativ flache Zeit-/Strom-Kenn­ linie und sind somit zum Einsatz in Motorabzweigen geeignet, da sie beim kurzzeitigen Überstrom während eines Motoranlaufs nicht ansprechen. Die NH-Sicherungen dienen zum Schutz von Anlagen oder Schaltschränken vor Brand durch überhitzte An­ schlußleitungen (z. B. PVC-isolierte Kabel). Ihre Zeit-/Strom- Kennlinie, d. h. ihre Auslösecharakteristik ist im Überlast­ bereich durch Normen vorgeschrieben. Die sich aus Schmelz­ integral und Löschintegral ergebenden I²t-Werte sind bei NH- Sicherungen relativ groß, d. h. NH-Sicherungen sind in der Regel im Kurzschlußfall nicht strombegrenzend und werden daher als träge Sicherungen bezeichnet. Ein Halbleiterschutz ist mit ihnen in der Regel nicht realisierbar.

Ebenfalls bekannt sind Halbleiterschutz (HLS)-Sicherungen, die vorzugsweise im Gleichrichterteil und im Zwischenkreis von Umrichtern eingesetzt werden. Sie haben betriebsmäßig eine hohe Verlustleistung, weswegen als Schmelzleitermaterial Silber verwendet wird. Die Schmelzleiter von Halbleiter­ schutz-Sicherungen haben je nach Bemessungsspannung eine un­ terschiedliche Anzahl von in gleichen Abständen angeordneten gleichartigen Engstellenreihen, wie aus den Fig. 4 und 5 er­ sichtlich. Je nach Konstruktion kommen unterschiedliche For­ men mit stetiger Querschnittsveränderung, z. B. Kreise, Ovale, Rauten, etc. zur Anwendung (siehe Fig. 6). Die Auslegung einer konventionellen Halbleiterschutz-Sicherung erlaubt für Bemes­ sungsströme über ca. 63 A keinen Überlastschutz. Ihre Zeit-/ Strom-Kennlinie verläuft sehr steil, d. h. ihr Nennstrom ist relativ groß bei einem kleinen Ausschaltintegral, d. h. I²t- Wert, was ein flinkes Ansprechen der Sicherung bei einem Kurzschluß zur Folge hat. Bei Fehlerströmen bis zum drei­ fachen des Nennstromes wird schon vor dem Ansprechen soviel Wärme in der Sicherung erzeugt, daß der isolierende Wärmekör­ per platzen kann und durch den resultierenden Sandverlust die Sicherung den Überstrom nicht abschalten kann. In diesem Bereich wird in der Regel eine Grenzkurve der zulässigen Be­ lastungsdauer angegeben (aR-Charakteristik). Aufgrund dieser Eigenschaften ist ein Leitungsschutz mit konventionellen Halbleiterschutz-Sicherungen nicht möglich.

In Fig. 8 ist der prinzipielle Verlauf der Zeit-/Strom-Kenn­ linien einer NH-Sicherung (Strich-Punkt-Linie) und einer HLS- Sicherung (durchgezogene Linie im Kurzschlußbereich und unterbrochene Linie im Überlastbereich) dargestellt. Hieraus wird deutlich, daß die Zeit-/Strom-Kennlinie einer HLS-Sicherung sehr viel steiler verläuft als die einer NH-Sicherung. Hieraus folgt, daß in einem Anwendungsfall zum gleichzeitigen Schutz im Überstrombereich und zum Kurzschlußschutz eine NH- Sicherung und eine Halbleiterschutz-Sicherung erforderlich sind, deren Ansprechverhalten genau aufeinander abgestimmt sein muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ganzbereichs- Stromrichtersicherung zu schaffen, die flink anspricht und im Kurzschlußfalle ausschaltet und außerdem als Überlastschutz für Anschlußleitungen geeignet ist, d. h. die die Vorteile einer Halbleiterschutz (HLS)-Sicherung und einer NH-Sicherung in sich vereinigt.

Dies wird erfindungsgemäß mit einer Sicherung mit den Merk­ malen gemäß Patentanspruch 1 erreicht. Eine derartige Siche­ rung ist mit mindestens einem Schmelzleiter von der Dicke d ausgestattet, der außer mindestens einer ersten Engstellen­ reihe mit n_NE ersten Engstellen mit stetiger Querschnitts­ änderung der Länge l_NE und der Breite b_NE eine zweite Eng­ stellenreihe mit n_LE zweiten Engstellen der Länge l_LE und der Breite b_LE aufweist, wobei die Länge l_LE größer als die Länge l_NE ist, wobei die Querschnittsfläche n_LE × b_LE × d der zwei­ ten Engstellenreihe größer ist als die Querschnittsfläche n_NE × b_NE × d der ersten Engstellenreihe und wobei der zweiten Engstellenreihe ein Lotdepot benachbart ist. Eine solche Ganzbereichs-Stromrichtersicherung vereint in einem Gerät die Vorteile einer Halbleiterschutz-Sicherung, d. h. überflinkes Ansprechen und Ausschalten des Stromkreises im Kurzschluß­ falle, z. B. zum Schutz eines Thyristors vor Zerstörung, und einer NH-Sicherung, d. h. den Schutz von Anschlußleitungen, z. B. PVC-isolierte Kabel vor Überlastung und damit Brand­ schutz. Die Bauform entspricht der von NH-Sicherungen gemäß DIN 43 620 und ermöglicht damit den Einbau in handelsüblichen NH-Sicherungsunterteilen bzw. in Sicherungslasttrennschal­ tern. Als vorteilhaft für den Stromrichterkunden ergibt sich ein verringerter Platzbedarf für die Sicherung, verringerter Verkabelungsaufwand etc. und somit geringere Kosten gegenüber dem gleichzeitigen Einsatz von sowohl NH-Sicherungen für den Leitungsschutz als auch zusätzlichen Halbleiterschutz-Siche­ rungen zum Schutz des Stromrichters.

Zusätzlich zum Ganzbereichs-Stromrichterschutz erfüllen die Sicherungen die Anforderungen des Leitungsschutzes, z. B. die Einhaltung des großen Prüfstroms gemäß VDE 100 T.430 bzw. VDE 0636 T.21 bzw. T.107 = IEC 269-2.

Die erfindungsgemäße Ganzbereichs-Stromsicherung weist eine Zeit-/Strom-Kennlinie mit einem definierten Kurzschlußver­ halten entsprechend dem von Halbleiterschutz-Sicherungen auf, wobei im Überlastbereich, d. h. für Ströme bis zum fünffachen des Nennstroms und Schmelzzeiten über einer Sekunde das An­ sprechverhalten in Richtung schnelleres Ansprechen getrimmt ist, d. h. in diesem Bereich ist die Zeit-/Strom-Kennlinie flacher als bei sonst üblichen Halbleiterschutz-Sicherungen.

Der Bemessungsstrom der Ganzbereichs-Stromrichtersicherung ist kleiner als der der entsprechenden Halbleiterschutz- Sicherung mit gleichem I²t-Wert. Der I²t-Wert der Ganz­ bereichs-Stromrichtersicherung ist dagegen erheblich kleiner als der I²t-Wert einer NH-Sicherung desselben Bemessungs­ stroms.

Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß durch eine Sicherung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 5 ge­ löst. Diese Sicherung, ebenfalls als Ganzbereichs-Stromrich­ tersicherung bezeichnet, ist mit mindestens einem Schmelzlei­ ter mit mehreren in axialer Richtung in gleichem Abstand d_NER benachbarten ersten Engstellenreihen NER mit stetiger Quer­ schnittsveränderung versehen, wobei mindestens eine zusätz­ liche dritte Engstellenreihe ZER vorgesehen ist, die zu einer benachbarten ersten Engstellenreihe einen kürzeren Abstand d_ZER aufweist, und in dem Zwischenraum zwischen beiden ein Lotdepot angeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein Schmelzleiter einer Ganzbereichs-Stromrich­ tersicherung mit einer zusätzlichen Engstellenreihe darge­ stellt, der ein Lotdepot benachbart ist.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt eines Schmelzleiters einer Ganz- bereichs-Stromrichtersicherung mit einer Engstellenreihe mit langen Engstellen mit rechteckigem Lochbild.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Schmelzleiters einer Ganz­ bereichs-Stromrichtersicherung mit langen, sich im Quer­ schnitt stetig verändernden Engstellen.

In Fig. 4 ist der Schmelzleiter einer bekannten Halbleiter­ schutz-Sicherung mit hier sechs Engstellenreihen dargestellt.

Fig. 5 zeigt einen Schmelzleiter mit vier Engstellenreihen einer Halbleiterschutz-Sicherung.

In Fig. 6 sind verschiedene Lochbilder von Engstellen mit stetiger Querschnittsänderung in einem Schmelzleiter von HLS- Sicherungen aufgezeigt.

Fig. 7 zeigt ein Lotdepot in einem Schmelzleiter in Form eines Niets und einer gefüllten Vertiefung.

Fig. 8 zeigt in einem Diagramm den prinzipiellen Verlauf der Zeit-/Strom-Kennlinien einer NH-Sicherung, einer Halbleiter­ schutz-Sicherung und einer Ganzbereichs-Stromrichtersiche­ rung.

Die Ganzbereichs-Stromrichtersicherung besteht je nach Nenn­ strom aus einem oder mehreren parallelen Schmelzleitern 1, die meist ähnliche Geometrie aufweisen. Je nach Bemessungs­ spannung der Ganzbereichs-Stromrichtersicherung hat jeder Schmelzleiter 1 (siehe Fig. 1) in axialer Richtung eine unter­ schiedliche Anzahl hintereinandergeschalteter Engstellenrei­ hen NER mit verringertem Querschnitt, die zum Kurzschluß­ schutz mit Strombegrenzung dienen. Die Querschnittsverjün­ gungen können die Form eines Kreises, einer Ellipse, einer Raute oder ähnliche geometrische Formen mit stetiger Quer­ schnittsveränderung aufweisen, wie in den Fig. 4, 5, 6 für bis­ herige Halbleiterschutz-Sicherungen HLS dargestellt. Der Schmelzleiter 1 hat eine Breite b und eine Dicke d und weist in einer Engstellenreihe NER n_NE Engstellen NE auf, wobei jede Engstelle NE eine Breite b_NE hat. Wie bei Halbleiter­ schutz-Sicherungen HLS liegt auch bei den erfindungsgemaßen Ganzbereichs-Stromrichtersicherungen das Verhältnis des Rest­ querschnitts n_NE × b_NE × d zum ungeschwächten Querschnitt b × d des Schmelzleiters 1 im Bereich von ca. 5-12%. Das Schmelzleitermaterial der Ganzbereichs-Stromrichtersicherung kann Kupfer oder Silber oder eine Kombination aus beiden Metallen sein.

Die Ganzbereichs-Stromrichtersicherung ist benachbart zu einer Engstellenreihe mit einem Lotdepot 2 versehen. Das Lot­ depot 2 besteht aus einem Material mit einer Schmelztempera­ tur, die erheblich niedriger als die Schmelztemperatur des Schmelzleitermaterials ist. Bei Überlastung des Sicherungs­ einsatzes schmilzt das niedrigschmelzende Material vor dem Schmelzleitermaterial, diffundiert in das Gefüge des Schmelz­ leitermaterials, legiert mit diesem, erhöht den Widerstand des Schmelzleiters, worauf die Temperatur weitersteigt, so daß der Schmelzleiter 1 verfrüht schmilzt und den Strom unterbricht. Dieses niedrigschmelzende Material kann z. B. Mehrstofflot, reines Zinn oder ein ähnliches niedrigschmel­ zendes Metall sein. Das Lotdepot kann in bekannter Weise in Form eines Niets (Fig. 2, 3) oder einer gefüllten Vertiefung des Schmelzleiters gestaltet sein (siehe Fig. 7).

Fig. 1 zeigt den Schmelzleiter 1 einer Ganzbereichs-Strom­ richtersicherung mit mehreren gleich ausgebildeten Engstel­ lenreihen NER, die jeweils zur benachbarten Engstellenreihe NER denselben Abstand d_NER aufweisen, mit Ausnahme einer zu­ sätzlichen Engstellenreihe ZER, die zu einer benachbarten Engstellenreihe NER einen kürzeren Abstand d_ZER aufweist, wo­ bei zwischen diesen beiden Engstellenreihen NER und ZER ein Lotdepot 2 angeordnet ist. Dies besteht hier z. B. in Form von Nieten.

Die Ganzbereichs-Stromrichtersicherung kann auch mit einem Schmelzleiter 1 mit mehreren Engstellenreihen NER und einer zusätzlichen Engstellenreihe LER mit vergleichsweise länglich ausgebildeten Engstellen LE ausgestattet sein (Fig. 2, 3). Eine wesentliche Eigenschaft der langen Engstelle LE ist, daß der kleinste Querschnitt der langen Engstelle LE größer ist, als der kleinste Querschnitt einer Engstelle NE für Kurzschlußab­ schaltung und daß die Länge des geschwächten Bereiches l_LE erheblich größer ist, als die Länge l_NE einer Engstelle NE. Der Faktor kann hier etwa im Bereich zwischen 1, 3 und 3 lie­ gen. Durch die Form der Engstelle ist die Kühlung, d. h. die Wärmeabfuhr im Überlastbereich bis zum etwa fünffachen des Nennstromes verschlechtert, so daß die Schmelzleitertempera­ tur schneller ansteigt und dadurch das Lotdepot schneller schmilzt.

Fig. 2 zeigt einen Schmelzleiter 1, bei dem die langen Eng­ stellen LE der zusätzlichen Engstellenreihe LER rechteck­ förmig sind.

Die Engstellen LE gemäß Fig. 3 weisen einen stetig veränder­ lichen Querschnitt, z. B. eine Halbkontur auf, wobei die kleinste Querschnittsfläche n_LE × b_LE × d der zusätzlichen Engstellenreihe LER größer ist als die kleinste Querschnitts­ fläche n_NE × b_NE × d der Engstellenreihe NER.

Die Vorteile von Ausführungen nach Fig. 2, 3 sind das Anspre­ chen der langen Engstellen LE nur im Überlastfall, da die Wärmeabfuhr bei den langen Engstellen LE gegenüber den norma­ len Engstellen NE verzögert ist.

Fig. 8 zeigt neben den Zeit-/Strom-Kennlinien für Halbleiter­ schutz-Sicherungen HLS und für NH-Sicherungen, die bereits bekannt sind, die Zeit-/Strom-Kennlinie der erfindungsgemäßen Ganzbereichs-Stromsicherung (punktierte Linie). Letztere ver­ einigt das Ansprechverhalten der Halbleiterschutz-Sicherung und der NH-Sicherung in sich, d. h. mit nur einer einzigen Sicherung kann das kombinierte Ansprechverhalten gewährlei­ stet werden. In Fig. 8 sind die Schmelzzeit t als Ordinate und der Strom I auf der Abszisse eingetragen.

Durch die Wahl eines kleineren Sicherungsprofils ergibt sich eine kleinere Oberfläche und damit geringere Wärmekapazität. Dies kann durch Reduzierung der Anzahl der parallelen Schmelzleiter erreicht werden. Hierdurch ergeben sich kompak­ tere, billigere Unterteile. Zusammenfassend läßt sich die Beeinflussung der Überlastkennlinie zur Erzielung frühen An­ sprechens im Überstrombereich durch folgende Punkte errei­ chen:

• - Schmelzleiter mit mehreren hintereinandergeschalteten Engstellenreihen, wobei die Querschnittsverjüngungen der Engstellen unterschiedliche Form aufweisen können.
• - Das Schmelzleitermaterial besteht aus Kupfer oder Silber.
• - Einer Engstellenreihe benachbart wird ein Lotdepot ange­ legt.
• - Zu den im gleichen Abstand beabstandeten Engstellenreihen wird eine zusätzliche Engstellenreihe eingefügt, der ein Lotdepot benachbart ist.
• - Im Schmelzleiter wird eine zusätzliche Engstelle mit Engstellen länglicher Form angelegt.
• - Die wärmeabgebende Oberfläche o des Schmelzleiters wird verringert.
• - Es wird ein möglichst kleines Sicherungsprofil gewählt.

Die obengenannten Maßnahmen können beim Schmelzleiter für die Ganzbereichs-Stromrichtersicherung für sich alleine oder in Kombination zur Anwendung kommen.

Claims (7)

1. Sicherung mit mindestens einem Schmelzleiter (1) von der Dicke d, der außer mindestens einer ersten Engstellenreihe (NER) mit n_NE ersten Engstellen (NE) mit stetiger Quer­ schnittsänderung der Länge l_NE.und der Breite b_NE eine zweite Engstellenreihe (LER) mit n_LE zweiten Engstellen (LE) der Länge l_LE und der Breite b_LE aufweist, wobei die Länge l_LE größer als die Länge l_NE ist, wobei die Querschnittsfläche n_LE × b_LE × d der zweiten Engstellenreihe LER größer ist als die Querschnittsfläche n_NE × b_NE × d der ersten Engstellen­ reihe (NER) und wobei der zweiten Engstellenreihe (LER) ein Lotdepot (2) benachbart ist.

2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Engstellen (LE) der Engstellenreihe (LER) rechteckförmig ausgebildet sind.

3. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Engstellen (LE) der zwei­ ten Engstellenreihe (LER) einen veränderlichen Querschnitt aufweisen, wobei die kleinste Querschnittsfläche n_LE × b_LE × d der zweiten Engstellenreihe (LER) größer ist als die klein­ ste Querschnittsfläche n_NE × b_NE × d der ersten Engstellen­ reihe (NER).

4. Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge l_LE einer Engstelle (LE) um den Faktor 1,3 bis 3 größer ist als die Länge l_NE einer Engstelle (NE).

5. Sicherung mit mindestens einem Schmelzleiter (1) mit meh­ reren in axialer Richtung in gleichem Abstand d_NER benachbar­ ten ersten Engstellenreihen (NER) mit stetiger Querschnitts­ veränderung, wobei mindestens eine zusätzliche dritte Eng­ stellenreihe (ZER) vorgesehen ist, die zu einer benachbarten ersten Engstellenreihe (NER) einen kürzeren Abstand d_ZER auf­ weist, und in dem Zwischenraum zwischen beiden ein Lotdepot (2) angeordnet ist.

6. Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Schmelzleiters aus Kupfer, Silber oder einer Kombination aus beiden Metallen besteht.

7. Sicherung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lotdepot (2) aus einem Material mit einer Schmelztemperatur besteht, die erheblich niedriger als die Schmelztemperatur des Schmelzleiters (1) ist.