DE19952793A1 - Elektrische Sicherung - Google Patents

Abstract

Die beschriebene elektrische Hochspannungssicherung dienst dem Absichern von an das elektrische Energienetz angekoppelten Schwachstromeinrichtungen. Die elektrische Sicherung weist einen in einem Isolierkörper (10) angeordneten Schmelzleiter (13) aus Draht oder Bandmaterial aus Metall oder einer Metallegierung auf. DOLLAR A Um bei kleineren Abmessungen und preiswerteren Ausführungen eine hohe Strombegrenzung, insbesondere vor Entstehung des Lichtbogens, zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Material des Schmelzleiters (13) einen Quotienten (Q) aus Widerstand bei Schmelztemperatur (R¶S¶) und Widerstand bei Raumtemperatur (R¶K¶) hat, der wenigstens 8 ist (Q = R¶S¶/R¶K¶ >= 8).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherung, insbesondere Hochspannungssicherung, zum Absichern von an das elektrische Energienetz angekoppelte Schwachstromeinrichtungen, mit in einem Isolierkörper angeordnetem Schmelzleiter aus Draht oder Bandmaterial aus Metall oder einer Metallegierung.

Draht aus Metall oder einer Metallegierung oder ein Bandmaterial aus Metall oder einer Metalle­ gierung werden bereits bei bekannten elektrischen Sicherungen spiralförmig auf einen Keramik- Wickelkörper gewickelt und dienen als Schmelzleiter der Sicherung. Als Metalle für den Schmelzleiter werden herkömmlich Kupfer, Zinn, Zink, Cadmium usw. verwendet, wobei man auf Werkstoffe achtet, die eine gute elektrische Leitfähigkeit, einen niedrigen Temperaturkoeffizien­ ten (α) und einen relativ niedrigen Schmelzpunkt haben. Die Schmelztemperatur bei Kupfer beträgt 1083°C, bei Zinn 232°C, bei Zink 420°C und bei Cadmium 321°C. Die elektrische Leitfä­ higkeit in 10⁶ pro Ohm beträgt bei Kupfer 0,593, bei Zinn 0,088, bei Zink 0,167 und bei Cadmium 0,146. Der Temperaturkoeffizient beträgt bei Kupfer 3,9 × 10^-3 pro K, bei Zinn 4,4 × 10^-3 pro K und bei Cadmium 3,8 × 10^-3 pro K. Man sucht einen niedrigen Schmelzpunkt aus, um im Über­ lastbereich eine möglichst gute Schutzmöglichkeit durch die Sicherung zu erreichen. Es soll bei niedrigen Strömen und schon bei niedrigen Übertemperaturen ein Abschalten erzielt werden. Zwar hat Kupfer eine verhältnismäßig hohe Schmelztemperatur, die man aber durch Einsatz eines Zinnlotes senken kann. Begünstigt werden bei den herkömmlichen Sicherungen, insbe­ sondere Hochspannungssicherungen, die angestrebten Werte ferner, wenn man einen niedrigen Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit hat, damit Übertemperatur und Leistungs­ abgabe (Verlustleistung) der Sicherung auch bei größeren Betriebsströmen nicht zu stark an­ steigen. Nach diesen Kriterien werden bislang die Werkstoffe ausgesucht, die man herkömmlich für Schmelzleiter verwendet.

Es hat sich gezeigt, daß man diese bekannten Sicherungen nur mit erheblichem Aufwand und raumaufwendigen Konstruktionen verwenden kann, wenn die Schwachstromeinrichtungen ge­ genüber dem elektrischen Energienetz abgesichert werden sollen.

Die Ankoppelung erfolgt zumeist über einen Wandler oder Kondensator, welcher hochfrequente Signale einzukoppeln erlaubt und die niedrigen Frequenzen, zum Beispiel in der Größenordnung von 50 Hz, sperrt. Dies gelingt mit Kondensatoren einer Kapazität von einigen nF oder mit han­ delsüblichen Spannungswandlern recht gut. Wichtig ist nun, bei Fehlern oder einem Versagen der Isolierung der an das elektrische Energienetz angekoppelten Schwachstromeinrichtungen eine entsprechende Absicherung vorzusehen, damit weder das Energienetz zusammenbricht noch möglichst die Schwachstromeinrichtung beschädigt wird. Letztere ist zwar unter Umstän­ den ohne übermäßigen Aufwand zu ersetzen, und etwaige Redundanzen sorgen für eine konti­ nuierliche Fortführung der Funktion der Schwachstromeinrichtung. Gleichwohl besteht der Wunsch, zum Beispiel bei einem Kurzschluß der Wandlerwicklung oder des Koppelkondensa­ tors, einen wirksamen Schutz dadurch vorzusehen, daß die Schwachstromeinrichtung abge­ schaltet wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine elektrische Sicherung der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, mit der bei kleineren Abmessungen und preiswerteren Ausführungen eine hohe Strombegrenzung, insbesondere Strombegrenzung vor Entstehung des Lichtbogens, erreicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das Material des Schmelzleiters einen Quotienten (Q) aus Widerstand bei Schmelztemperatur (R_S) und Widerstand bei Raum­ temperatur (R_K) hat, der wenigstens 8 ist (Q = R_S/R_K ≧ 8). Es kommt für eine günstige Absiche­ rung der Schwachstromeinrichtungen gegenüber dem Energienetz auf das Material des Schmelzleiters der elektrischen Sicherung gemäß der Erfindung an, wobei man das Material nach genau entgegengesetzten Eigenschaften und Kriterien aussucht als bei den bislang be­ kannten elektrischen Sicherungen. Folgt man der Lehre der neuen Erfindung und sorgt man bei dem Material des Schmelzleiters für einen Quotienten (Q), der mindestens 8 ist, dann erhält man eine sehr leistungsstarke Sicherung, eine Sicherung mit hoher Schaltleistung und erreicht eine gute Strombegrenzung.

Bei den Schwachstromeinrichtungen fließen bekanntlich nur kleine Ströme, zum Beispiel im Be­ reich einiger Milliampere, so daß man die elektrische Sicherung mit einem relativ hochohmigen Schmelzleiter einrichten kann. Zum Beispiel kann der Schmelzleiter einen Widerstand von 1 Ohm, 10 Ohm oder darüber haben. Die durch die Schwachstromeinrichtungen fließenden klei­ nen Ströme werden dadurch nicht behindert und nicht gestört. Bei der klassischen Energiesiche­ rung hingegen muß auch der gesamte Laststrom übertragen werden. Die klassische Sicherung darf nicht hochohmig sein, ihr Widerstand muß bei einem üblichen Beispiel im Milliohmbereich liegen und der Temperaturkoeffizient α muß möglichst klein sein, weil sonst eine zu hohe Ver­ lustleistung mit entsprechender Aufheizung zu erwarten ist. Bei der elektrischen Sicherung ge­ mäß der Erfindung werden hingegen ganz andere Anforderungen an den Werkstoff gestellt, er kann bei Raumtemperatur hochohmig sein. Die besondere Wirksamkeit der neuen Sicherung beruht darauf, daß der elektrische Widerstand des Schmelzleiters zwischen Betriebstemperatur (Raumtemperatur) und Schmelztemperatur sich besonders stark unterscheidet, wobei der Wi­ derstand R_S bei Schmelztemperatur groß ist.

Eine besonders große Strombegrenzung erreicht man erfindungsgemäß dann, wenn das Materi­ al des Schmelzleiters einen Quotienten (Q) aus Widerstand bei Schmelztemperatur R_S und Wi­ derstand bei Raumtemperatur R_K hat, der wenigstens 15 ist (Q = R_S/R_K ≧ 15). Der Widerstand darf sich durch Temperaturerhöhung auf das Acht- oder Fünfzehnfache steigern. Dann begrenzt die neue Sicherung gemäß der Erfindung den Strom durch diesen großen Quotienten. Ein Ener­ gienetz kann zum Beispiel ohne Sicherung einen Kurzschlußstrom von etwa 50 kA haben. Eine konventionelle Sicherung müßte diesen prospektiven Strom abschalten können. Die Begrenzung des Stromes bei der konventionellen Sicherung erfolgt erst in der Lichtbogenphase, wenn der Schmelzleiter bereits zerstört ist. Bei der erfindungsgemäßen Sicherung hingegen hat sich der Widerstand durch die Temperaturerhöhung auf zum Beispiel 10 Ohm oder 50 Ohm erhöht, wo­ bei sich der Schmelzleiter aufgeheizt hat, noch bevor der Lichtbogen entstanden ist. Mit Vorteil wird der Lichtbogenstrom durch die neue Sicherung dadurch auf einige hundert Ampere be­ grenzt. Bei diesem Beispiel ist die elektrische Sicherung für 10 kV ausgelegt. Bei einem her­ kömmlichen Silber-Schmelzleiter fließen bei einer Spannung von 10 kV beispielsweise 20 kA über den Lichtbogen, und die konventionelle Sicherung muß diesen Strom beherrschen. Da­ durch entsteht ein hoher Druck. Die Energie, die absorbiert wird, ist im bekannten Falle hoch.

Daher benötigen die konventionellen Sicherungen feste, stabile Gehäuse mit hochwertigen und teuren Werkstoffen. Erfindungsgemäß werden alle diese Anforderungen stark herabgesetzt. Im Abschaltfall ist der Druck gering, bei einem gemessenen Beispiel annähernd null. Die Schalte­ nergie, die im Lichtbogen umgesetzt wird, ist bei der neuen Sicherung wesentlich geringer. Da­ durch kann die Sicherung deutlich kleiner, kompakter, einfacher und auch preiswerter hergestellt werden.

Die elektrische Sicherung gemäß der Erfindung ist vorteilhaft weiter dadurch ausgestaltet, daß die Schmelztemperatur (T_S) des Materials des Schmelzleiters größer als 1100°C ist. Normaler­ weise folgt der Widerstand eines metallischen Leiters der Formel R = α × δ T, wobei der Tempe­ raturkoeffizient α des Widerstandes materialspezifisch ist und nur für einen relativ kleinen Tem­ peraturbereich als Konstante anzusehen ist. In der Regel wächst der Temperaturkoeffizient α des Widerstandes mit der Temperatur, so daß er nur durch ein Polynom höherer Ordnung ange­ nähert werden kann. Die Temperaturdifferenz δT ist naturgemäß um so größer, je höher die Schmelztemperatur (T_S) des Werkstoffes ist, weil die Betriebstemperatur in der Regel nicht we­ sentlich über der Raumtemperatur (T_K) liegt. Um eine möglichst große Differenz bzw. einen möglichst großen Quotienten (Q) des Widerstandswertes bei Schmelztemperatur (R_S) zu dem Widerstandswert bei Raumtemperatur (T_K) zu erhalten, ist es daher vorteilhaft, wenn man die empfohlene hohe Schmelztemperatur des Materials des Schmelzleiters vorsieht. Man erreicht erfindungsgemäß eine hohe Strombegrenzung. Dadurch sind die Anforderungen an die Schalt­ eigenschaften des Schmelzleiters erfindungsgemäß geringer.

Günstig ist es gemäß der Erfindung ferner, wenn der Temperaturkoeffizient (α) des spezifischen Widerstandes im Temperaturbereich von Raumtemperatur (T_K) bis Schmelztemperatur (T_S) grö­ ßer oder gleich 4,2 × 10^-3 pro K beträgt. Zwar erhält man durch eine hohe Schmelztemperatur (T_S) ein großes δT und damit einen großen Quotienten der oben definierten Art. Zusätzlich wird dieser Effekt aber andererseits noch dadurch gesteigert, daß der erwähnte Temperaturkoeffizi­ ent (α) des spezifischen Widerstandes mit zunehmender Temperatur steigt. Der Schmelzleiter hat bei der neuen Sicherung auch einen extrem hohen Verdampfungspunkt (Siedetemperatur) mit der Folge, daß der Schmelzleiter beim Erkalten um so mehr Verdampfungswärme aus dem Energienetz aufnehmen kann, je höher die Siedetemperatur liegt. Dadurch ist es möglich, einen großen Betrag der beim Abschalten gespeicherten magnetischen Energie in der neuen Siche­ rung zu absorbieren. Mit weiterem Vorteil kann man erkennen, daß je höher die Verdampfungs­ temperatur des Schmelzleiter ist, um so intensiver auch die Kühlung erfolgt, weil die Tempera­ turdifferenz zur Umgebung (Raumtemperatur) größer ist und folglich auch mehr Strahlungswär­ me, auch Kondensationswärme abgegeben werden kann. Die Kühlung des Lichtbogenkanals ist erfindungsgemäß intensiver und schneller, bis dieser Kanal wieder in den Isolierzustand über­ geht.

Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn der Temperaturkoeffizient (α) des spezifi­ schen Widerstandes des Materials des Schmelzleiters mit steigender Temperatur, wenigstens im Bereich ab Raumtemperatur (T_K) bis Schmelztemperatur (T_S), stetig steigt. Trägt man den Tem­ peraturkoeffizienten (α) über der Temperatur (T) auf, so wird gemäß der Lehre der Erfindung empfohlen, daß die Kurve nicht ein Maximum durchläuft. Der Temperaturkoeffizient sollte ab einer bestimmten Temperatur nicht wieder fallen, denn dadurch könnte sich die Temperatur auf hohem Niveau stabilisieren, und der Schaltvorgang könnte verzögert werden.

Es ist vorteilhaft, wenn man als Material des Schmelzleiters Molybdän, Wolfram, Rhenium oder Tantal oder eine Legierung aus diesen nimmt. Zweckmäßig ist es auch, wenn man als Material des Schmelzleiters Beryllium, Zirkon, Niob oder Hafnium oder eine Legierung aus diesen wählt. Bei diesen Werkstoffen handelt es sich um Metalle bzw. um Legierungen mit einem großen Temperaturkoeffizienten und einer hohen Schmelztemperatur (T_S). Auch das Produkt aus diesen beiden Größen wird besonders groß. Im folgenden wird eine Tabelle für die Schmelztemperatur, den spezifischen elektrischen Widerstand und den Temperaturkoeffizienten einiger geeigneter Elemente angegeben:

Der elektrische Schmelzleiter gemäß der Erfindung ist vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß er nach der Lehre der Erfindung einen draht- oder bandförmigen Schmelzleiter hat, welcher schrau­ benförmig um einen elektrisch isolierenden Wickelkörper gewickelt und an einem Ende über ein flexibles Anschlußband mit einer Endkappe verbunden ist. Selbst diffizil zu handhabende Schmelzleitermaterialien können mit einem solchen Aufbau recht gut gehandhabt und zu der elektrischen Sicherung zusammengebaut werden. Dabei ist es besonders günstig, wenn erfin­ dungsgemäß an jedem Ende des Wickelkörpers ein Anschlußring mit wenigstens einer radial herausstehenden Anschlußfahne zur elektrischen und mechanischen Befestigung des Schmelzleiters angebracht und in dem Isolierkörper untergebracht ist. Der Raum in dem Isolier­ körper und um den Wickelkörper herum ist vorzugsweise mit Sand gefüllt. Durch den kleinen Aufbau der erfindungsgemäßen Sicherung gegenüber herkömmlichen Sicherungen werden nur noch kleinere Sandmengen benötigt. Im Abschaltfalle wird durch Steigerung der Temperatur in der elektrischen Sicherung eine große Menge Energie aufgenommen. Es entstehe Metalldampf, der am Sand kondensiert. Der die Energie absorbierende Sand schmilzt und liefert dadurch sei­ nen Beitrag zur Kühlung. Verwendet man ein Material des Schmelzleiters mit hoher Siedetempe­ ratur, dann erfolgt die Erstarrung zum Festkörper schneller, weil die Abkühlung gegenüber Raumtemperatur sich schneller vollzieht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser des Schmelzleiterdrahtes im Bereich von 0,07 mm bis 0,14 mm.

Bei der elektrischen Sicherung gemäß der Erfindung hat man durch die starke Strombegrenzung in die Schwachstromeinrichtung oder Schwachstromabzweigung eine geringere Rückwirkung auf das Energienetz. Während eine herkömmliche Sicherung im Falle eines Fehlers einen großen Strom zulassen würde mit der Folge eines deutlichen Spannungseinbruches im Energienetz, erreicht man durch die erfindungsgemäße Sicherung mit der hohen Strombegrenzung nicht nur eine erhebliche Begrenzung der Höhe des Spannungseinbruches, sondern auch der Dauer des Einbruches. Der Spannungseinbruch an der Fehlerstelle ist mit Vorteil vernachlässigbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch eine elektrische Sicherung gemäß der Erfindung mit speziellem und bevorzugtem Aufbau,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht senkrecht dazu entlang der Linie A-A der Fig. 1 und

Fig. 3 eine Ansicht auf einen Anschlußring mit flexiblem Anschlußband vor der Montage.

Die in den Zeichnungen dargestellte Hochspannungssicherung ist länglich ausgestaltet und er­ streckt sich in Richtung der Längsachse 1, welche in Fig. 1 als strichpunktierte Linie und in Fig. 2 als Kreuzpunkt dargestellt ist. Um diese Längsachse 1 herum befindet sich der Wickel­ körper 2 aus Keramik, dessen hohlsternähnliche Form in Fig. 2 zu sehen ist. Der Wickelkörper 2 erstreckt sich parallel zur Längsachse 1 etwa über die gesamte Länge der Sicherung. An bei­ den Enden des Wickelkörpers 2 ist ein Anschlußring 3 aus Metall angebracht. Auf der einen, der festen Seite der Sicherung, die in Fig. 1 rechts dargestellt ist, ist der Anschlußring 3 an Punkt­ schweißstellen 4 mit einer Endkappe 5 verbunden, welche ihrerseits an einem Anschlußbolzen 6 angebracht ist.

Auf der gegenüberliegenden Seite ist ebenfalls eine an einem Anschlußbolzen 6 befestigte End­ kappe 5' angeordnet. Diese steht aber nicht in direkter Berührung mit dem in Fig. 1 links ge­ zeichneten Anschlußring 3. Vielmehr wird eine elektrische Verbindung zwischen diesem An­ schlußring 3 und der Endkappe 5' über ein flexibles Anschlußband 7 geschaffen. Dieses ist an der Punktschweißstelle 8 (siehe Fig. 3 unten) an dem Anschlußring 3 angeschweißt und auf der entsprechend gegenüberliegenden Seite an der Endkappe 5' angeschweißt. Dadurch ergibt sich ein Abstand zwischen dem Anschlußring 3 und der Endkappe 5' auf der "beweglichen" Sei­ te, die in Fig. 1 links gezeigt ist und der festen Seite (rechts in Fig. 1) diametral gegenüber­ liegt. Die Endkappen 5 (hinten) und 5' (vorn) sind an einem Isolierkörper 10 aus Keramik ange­ klebt oder aufgepreßt. In dem Ringraum 11 zwischen dem Wickelkörper 2 innen und dem Iso­ lierkörper 10 außen kann durch ein Fülloch, welches durch eine Kappe 12 in der Endkappe 5' verschlossen ist, Sand eingefüllt werden.

Ein Schmelzleiter 13 in Form eines Molybdändrahtes ist schraubenförmig um den elektrisch iso­ lierenden Wickelkörper gewickelt. Das jeweilige Ende des Schmelzleiters 13 wird um eine der sechs Anschlußfahnen 14 des Anschlußringes 3 gewickelt und durch Punktschweißen verbun­ den, wie in Fig. 3 unten rechts angedeutet ist. Der Anschlußring hat eine zentrale Öffnung, um welche er ringförmig angeordnet ist. Radial stehen sechs Anschlußfahnen 14 vor. Deren Länge ist von der Längsachse 1 radial nach außen so bemessen, daß der Anschlußring 3 in den Iso­ lierkörper 10 paßt und dort seitlich gehaltert werden kann (der Wickelkörper kann außer aus Keramik auch aus Glimmer oder einem anderem temperaturfesten Werkstoff bestehen). Der elektrische Strom kann nun gemäß Fig. 1 von rechts nach links von dem Anschlußbolzen 6 über die Endkappe 5, die Punktschweißstellen 4 zum Anschlußring 3 (feste, hintere Seite), über den Schmelzleiter 13 auf den vorderen Anschlußring 3 fließen und von dort über die Punkt­ schweißstelle 8 und das flexible Anschlußband 7 zu der vorderen, linken, mobilen Endkappe 5' und dem mit dieser verbundenen Anschlußbolzen 6.

Auf eine zwischen der jeweiligen Endkappe 5, 5' und dem Isolierkörper 10 eingelegte Dicht­ scheibe 15 aus temperaturfestem Keramikpapier braucht hier nicht näher eingegangen zu wer­ den.

Eine in den Zeichnungen nicht dargestellte, aber weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperatur mindestens 2000 oder alternativ sogar 2500°C bei einem Temperaturkoeffizient von mindestens 4,5 × 10^-3 pro K gegeben ist.

Claims (9)

1. Elektrische Sicherung, insbesondere Hochspannungssicherung, zum Absichern von an das elektrische Energienetz angekoppelten Schwachstromeinrichtungen, mit in einem Isolierkörper (10) angeordnetem Schmelzleiter (13) aus Draht oder Bandmaterial aus Metall oder einer Metallegierung, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Schmelzleiters (13) einen Quotienten (Q) aus Widerstand bei Schmelztemperatur (R_S) und Widerstand bei Raumtemperatur (R_K) hat, der wenigstens 8 ist (Q = R_S/R_K ≧ 8).

2. Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Schmelz­ leiters (13) einen Quotienten (Q) aus Widerstand bei Schmelztemperatur (R_S) und Wi­ derstand bei Raumtemperatur (R_K) hat, der wenigstens 15 ist (Q = R_S/R_K ≧ 15).

3. Sicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztempe­ ratur (T_S) des Materials des Schmelzleiters (13) größer als 1100°C.

4. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tempe­ raturkoeffizient (α) des spezifischen Widerstandes im Temperaturbereich von Raumtem­ peratur (T_K) bis Schmelztemperatur (T_S) größer oder gleich 4,2 × 10^-3 pro K beträgt.

5. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tempe­ raturkoeffizient (α) des Materials des Schmelzleiters (13) mit steigender Temperatur, we­ nigstens im Bereich ab Raumtemperatur (T_K) bis Schmelztemperatur (T_S), stetig steigt.

6. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Material des Schmelzleiters (13) Molybdän, Wolfram, Rhenium oder Tantal oder eine Legierung aus diesen ist.

7. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Schmelzleiters (13) Beryllium, Zirkon, Niob oder Hafnium oder eine Legierung aus diesen ist.

8. Sicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der draht- oder bandförmige Schmelzleiter (13) schraubenförmig um einen elektrisch isolierenden Wickelkörper (2) gewickelt und an einem Ende über ein flexibles Anschlußband (7) mit einer Endkappe (5, 5') verbunden ist.

9. Sicherung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ende des Wickel­ körpers (2) ein Anschlußring (3) mit wenigstens einer radial herausstehenden Anschluß­ fahne (14) zur elektrischen und mechanischen Befestigung des Schmelzleiters (13) an­ gebracht und in dem Isolierkörper (10) untergebracht ist.