DE2349270A1 - Elektrische ueberstromsicherung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Überstromsicherung mit einem Schmelzleiter. Eine Sicherung hat bekanntlich die Aufgabe, ein Netzteil oder einen elektrischen Verbraucher im Falle einer Überlastung oder einem Kurzschlußfall abzuschalten. Dazu ist es erforderlich^ daß nach dem Durchschmelzen eines vom Leiterstrom durchflossenen Leiterstücks mit geringem Querschnitt, einem sogenannten'Schmelzleiter, der entstehende Lichtbogen gegen die anstehende Netzspannung sicher gelöscht wird. Der Querschnitt des Schmelzleiters ist deshalb so bemessen, daß er schmilzt, sobald der Leiterstrom einen vorbestimmten Grenzwert erreicht. Durch die besondere konstruktive Gestaltung der Sicherung wird der Lichtbogen gezwungen, eine' Brennspannung anzunehmen, die höher ist als die treibende Netzspannung.

Bei den bekannten Schmelzsicherungen wird die® dadurch erreicht, daß ein relativ langer Sicherungsdraht in Quarzsand eingebettet wird. Der Lichtbogen hat dann nach dem Durchschmelzen des Leiters eine entsprechend große Länge und damit eine so hohe Brennspannung, daß der Lichtbogen gegen die treibende Netzspannung gelöscht wird.

Der Schmelzleiter in den bekannten Sicherungen hat im wesentlichen zwei Aufgaben, nämlich die stromtragende Punktion für den Nennstrom im Nennbetrieb und den Überstrom, der im Störunge- oder Kurzschlußfall ebenfalls eine gewisse Zeit getragen werden muß. Er hat ferner die stromunterbrechende

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Funktion, die durch eine ausreichende, im allgemeinen durch einen Lichtbogen erzeugte Gegenspannung erreicht wird. Beide Funktionen stellen jedoch gegenläufige Ansprüche an den Schmelzleiter, was bei Sicherungen für erhöhte Spannungen, insbesondere für Hochspannung, zu verhältnismäßig komplizierten Formen des Schmelzleiters führt. Eine ausreichend hohe Lichtbogenspannung kann der Schmelzleiter nach dem Durchschmelzen nur mit einer großen Länge erzeugen. Dies bedeutet aber einen entsprechend großen Spannungs- und Leistungsabfall im Nennbetrieb.. Um diesen Spannungsabfall zu vermindern, hat man Schmelzleiter mit mehreren Engstellen verwendet. Mit dieser Gestaltung wird jedoch ein weiteres Problem aufgeworfen, nämlich das gleichzeitige Durchschmelzen aller Engstellen. Aber auch mit dieser bekannten Gestaltung beträgt der Spannungsabfall noch jeweils einige zehntel V. In Anlagen mit einer größeren Anzahl solcher Sicherungen, beispielsweise in Stromrichteranlagen mit Thyristoren, denen jeweils eine Sicherung zugeordnet ist, entsteht somit eine erhebliche Verlustleistung, die als Wärme abgeführt werden muß.

Es ergibt sich deshalb die Aufgabe, die Sicherung so zu gestalten, daß ihr Spannungsabfall im Nennbetrieb gering und daß sie zugleich in der Lage ist, zur Stromunterbrechung eine große Gegenspannimg aufzubauen-, die als Löschspannung wirkt. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der erhöhte Spannungsabfall durch die eine Anode und eine Kathode bildenden FuSpunkte eines Lichtbogens, der zwischen Löschblechen brennt, auch zur Löschung eines Lichtbogens in Sicherungen ausgenutzt werden kann.

Die genannte Aufgabe wird deshalb erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Löschbleche aus elektrisch leitendem Material vorgesehen sind, die mit ihren Flachseiten quer zur Längsrichtung des Schmelzleiters ausgedehnt und in dessen Längsrichtung hintereinander angeordnet sind und deren Stirnkanten am Schmelzleiter unmittelbar anliegen oder deren Abstand vom Schmelzleiter höchstens so groß ist, daß mit dem

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Durchschmelzen des Schmelzleiters noch Teillichtbogen zwischen den Löschblechen entstehen.

Im Gegensatz zu den bekannten Sehalteinrichtungen mit löschblechen, bei denen der Lichtbogen zwischen beweglichen Kontakten entsteht und dann durch besondere Kraftwirkung, beispielsweise durch seine eigenmagnetischen Kräfte oder durch eine geeignete Gasströmung, gegen die Stirnkanten der Löschbleche getrieben wird, befinden sich die in der Überstromsicherung nach der Erfindung entstehenden Teillichtbogen bereits zwischen den Löschblechen. In der Überstromsicherung nach der Erfindung ist somit als Löschspannung die Summenspannung der einzelnen Teillichtbogen wirksam. Die Länge des Schmelzleiters kann somit auch für höhere Spannungen entsprechend geringer gewählt werden. Damit werden auch die Verluste der Sicherung im Nennbetrieb entsprechend erhöht und die Abschaltfähigkeit der Sicherung noch zusätzlich erhöht.

Es ist zwar nicht erforderlich, daß der Schmelzleiter unmittelbar an den Stirnkanten der Löschbleche anliegt, sondern die Punktion der Überstromsicherung nach der Erfindung wird auch dann erfüllt, wenn die Entfernung der Stirnkanten der Löschbleche von dem Schmelzleiter nur so weit ist, daß sich der wesentliche Teil des Lichtbogens unmittelbar nach dem Durchschmelzen des Leiters bereits zwischen den Löschblechen befindet. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine Ausführungsform der Überstromsicherung, deren Schmelzleiter unmittelbar an den Löschblechen anliegt oder sogar jeweils zwischen zwei einander gegenüberliegenden Löschblechen eingeklemmt ist oder auch in eine entsprechende Profilbohrung von Löschblechen eingezogen ist. Diese Gestaltung hat den Vorteil, daß die Kühlung des Schmelzleiters 2 im Nennbetrieb der Sicherung durch Wärmeabführung an die Löschbleche verbessert und damit die Strombelastbarkeit der Sicherung entsprechend erhöht wird.

Eine besonders einfache Herstellung der Sicherung erhält man dadurch, daß Schmelzleiter und Löschbleche aus einem einzigen

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und gemeinsamen Bauteil bestehen. Die Anordnung des Schmelzleiters mit den Löschblechen kann zweckmäßig in Quarzsand eingebettet sein.

Der Schmelzleiter mit wenigstens einem Teil der Löschbleche kann auch in einem Löschgas, beispielsweise Schwefelhexafluorid SFg, angeordnet sein. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Sicherung besteht darin, daß der Schmelzleiter im Vakuum angeordnet ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Abstand zwischen den einzelnen Löschblechen s sehr gering gehalten werden kann. Damit erhält man bei gleicher Gesamtspannung eine entsprechend verminderte Baulänge .

Die Löschbleche mit dem Schmelzleiter können ferner in einer Löschkammer aus einem elektrisch isolierenden und wärmebeständigen Material angeordnet sein, die mit wenigstens einer Druckausgleichsöffnung versehen ist. Die Druckausgleichsöffnung erhält man zweckmäßig durch wenigstens eine, insbesondere eine größere Anzahl von Bohrungen. Durch diese Bohrungen können die durch den Lichtbogen erwärmten Gase aus der Kammer entweichen.

Sofern die Löschkammer druckfest ausgeführt ist, kann sie auch ohne Druckausgleichsöffnungen ausgeführt sein. Zweckmäßig wird man aber wenigstens eine der Kammerwände aus gasdurchlässigem' Material, insbesondere Loch- oder Siebkeramik, ausführen.

Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Überstromsicherung erhält man dadurch, daß dem so gestalteten Schmelzleiter noch ein weiteres Unterbrechungselement parallelgeschaltet wird. Dieses Unterbrechungselement wird dann so gestaltet, daß es im Nennbetrieb nur einen geringen Widerstand hat. Man erhält somit eine Funktioneaufteilung der parallelen Stromwege. Das zusätzliche Unterbrechungselement übernimmt die Stromführung im Nennbetrieb und muß durch besondere Gestaltungsmerkmale lediglich bei überstrom den eigenen Strompfad auftrennen und vorübergehend eine große Spannung aufbauen. Da der Strom zum ersten Schmelzleiter überkommutiert, muß das Unterbrechungselement anschließend eine

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ausreichende spannungsfeste Unterbrechungsstelle bilden. Die Unterbrechung des auf den ersten Schmelzleiter kommutierten Stromes übernimmt dagegen dieser Schmelzleiter»

Das zusätzliche Unterbrechungselement kann deshalb in einfacher Weise gestaltet sein. Es kann beispielsweise eine bekannte Schmelzsicherung oder auch eine mechanische Trennstelle sowie eine elektronische Unterbrechungsstelle verwendet werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren I¹Ig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Überstromsicherung mit einem Schmelzleiter nach der Erfindung veranschaulicht ist. Die Fig.2 und 3 zeigen jeweils einen Querschnitt einer Überstromsicherung nach der Erfindung mit einer Löschkammer. In Fig.4 ist eine weitere Ausgestaltung der Überstromsicherung mit parallelen Stronm/eigen dargestellt.

In Fig.1 ist ein Schmelzleiter 2 in einem Stromkreis angeordnet, der von einem Generator 4 über eine als Widerstand dargestellte Kurzschlußimpedang 6 gespeist werden soll. Der Schmelzleiter 2 ist in Aussparungen 3 von Löschblechen 8 bis 11 angeordnet, die mit ihren Flachseiten quer zur Längsrichtung des Schmelzleiters 2 ausgedehnt und in der Längsrichtung des Schmelzleiters 2 hintereinander angeordnet sind und mit dem Schmelzleiter 2 vorzugsweise im Vakuum angeordnet sein können. Die Löschbleche 8 bis 11 können in üblicher Weise aus Eisen bestehen. Wesentlich ist nur₉ daß sie aus elektrisch leitendem Material bestehen_s das eine ausreichende Wärmebeständigkeit hat₉ damit die nach dem Durchschmelzen des Schmelzleiters 2 jeweils auf den beiden Flachseiten, der Löschbleche entstehenden Fußpunkte der Teillichtbogen 15 bis 17 nicht während der Löschzeit der Sicherung zum Durchachmelzen der Löschbleche 8 bis 11 führen.

Für eine Hochspannungssicherung wird im.allgemeinen eine größere Anzahl von Löschblechen für den Schmelzleiter 2 vorgesehen sein. In der Figur sind jedoch nur die vier

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Löschbleche 8 bis 11 dargestellt. Die erhöhte Anzahl ist in der Figur durch eine Unterbrechung des Schmelzleiters 2 zwischen den löschblechen 9. und 10 angedeutet.

Nach dem Schmelzen des Leiters 2 befinden sich die entstehenden Teillichfbogen 15 bis 17 bereits zwischen den Löschblechen 8 bis 11. Von den Fußpunkten dieser Teillichtbogen, beispielsweise zwischen den Löschblechen 8 und 9» bildet jeweils einer einen Kathoden- und der andere einen Anodenspannungsabfall, die beide zusammen etwa 20 bis 30 V betragen. Dieser zusätzliche Spannungsabfall ist deshalb wesentlich größer als der Spannungsabfall, der ohne die Löschbleche auf diese Teillänge des Lichtbogens entfallen würde. Durch die Aufteilung des Lichtbogens zwischen den Löschblechen wird deshalb die Gegenspannung im Stromkreis sprunghaft über den Betrag der treibenden Spannung erhöht. Diese zu seiner eigenen Erhaltung erforderliche Spannung kann ihm aber der Stromkreis nicht liefern, so daß der Lichtbogen erlischt.

In der praktischen Ausführungsform einer solchen Sicherung kann der Schmelzleiter 2 mit den Löschblechen 8 bis 11 zweckmäßig aus einem Stück hergestellt sein und aus dem üblichen Leitermaterial bis stehen. In diesem Falle wird die Anordnung zweckmäßig in Quarzsand eingebettet.

lach Fig₉2 ist der Schmelzleiter 2 mit den Löschblechen, von denen das Blech 11 sichtbar sein sollj, in einer Löschkammer angeordnet, deren Boden und Seitenwand durch einen Isolierstoffkörper 19 gebildet werden und die oben durch einen weiteren Isolierstoffkörper 18 abgedeckt ist, der mit Druckausglei chs öffnungen versehen ist, die als Bohrungen 20 dargestellt sind. In dieser Ausführungsform der Löschkammer liegt der Schmelzleiter 2 in einer Aussparung 23 des Isolierstoffkörpers 19. Die Tiefe dieser Aussparung 23 wird zweckmäßig etwas geringer gewählt als die Dicke des Schmelzleiters 2, damit er an den Stirnkanten der Löschbleche 8 bis 11 anliegt und dadurch ein guter Wärmeübergang geschaffen wird.

In der Ausführungsform der Überstromsicherung nach Fig.3 ist

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der Schmelzleiter jeweils zwischen zwei Löschblechen 12 und 13 eingeklemmt, die ebenfalls in einer Löschkammer angeordnet sein sollen. In dieser Löschkammer ist nicht nur der Deckel 18, sondern auch der Boden 28 mit Bohrungen 20 bzw. ■21 versehen. Diese Kammerteile können beispielsweise aus Siebkeramik bestehen. Unter Umständen kann es aber zweckmäßig sein, anstelle dieser Siebkeramik ein .poröses Material zu verwenden, dessen Poren enge Durchlässe bilden, durch die in der Kammer erwärmte. Gase entweichen können, so daß eine gefährliche Druckerhöhung in der Kammer nicht auftreten kann. Die Seitenwände 26 bestehen aus wärmebeständigem Isolierstoff.

In der Ausführungsform einer ÜberStromsicherung nach Pig.4 ist der Schmelzleiter 2, der in einer Kammer 40 angeordnet ist, mit einem zusätzlichen parallelen Stromkreis versehen, der ein weiteres Unterbrechungselement 42 enthält. Die Parallelschaltung soll, wie in Fig.1 dargestellt, in einem Stromkreis mit dem Strom I angeordnet sein, wie durch den Generator 4 und die Kurzschlußimpedanz 6 angedeutet ist. In der Längsrichtung des Schmelzleiters 2 sind Löschbleche angeordnet, die gemeinsam mit 14 bezeichnet sind, und die in den seitlichen Boden 45 und 46 der Kammer 40 eingeklemmt sind. Die Kammer 40 ist jeweils am Anfang und am Ende mit einer Isolierstoffplatte 48 bzw. 49 abgeschlossen.

Die Unterbrechungsstelle 42 ist so gestaltet, daß,sie im Nennbetrieb nur einen geringen Spannungsabfall hat. Ihre Unterbrechungsstelle, die vorzugsweise der Schmelzleiter 43 einer Schmelzsicherung sein kann, hat deshalb nur einen verhältnismäßig geringen Widerstand. Der Teilstrom I- wird deshalb im Nennbetrieb praktisch aus dem gesamten Strom I bestehen. Im Nennbetrieb führt deshalb der Schmelzleiter 2 nur einen verhältnismäßig geringen Stromanteil I₂ des Gesamtstromes I. Sobald im Überstrom- oder Kurzschlußfall der Schmelzleiter 1 schmilzt, kommutiert der Strom I₁ auf den Schmelzleiter Ig» so daß dieser Leiter den gesamten Überstrom führen muß, und er übernimmt auch die Unterbrechung

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des Stroms. Me §®samtanordnung einer solehesi Überstromsicherung hat deshalb des Vorteil₉ daß si® im lennbetrieb nur geringe Yerluste bringt imd dennoch groB© Stromstärken bei hoher Spannung abschalten kann*. Der Widerstand" des XJnterbrechungselementes 42 darf sich nicht TjesentXieh erhöhen, "bis der Schmelzleiter .2 den gesamten Stro® übernommen hat«, 33er Sshmelsleiter 2 wird la ©iner Parallelschaltung nach Fig Λ aus einem Material ait ©ines großen spezifischen Widerstand und einem verMltnissaäßig kleines fenperatiirkoeffiaisnten bestehen^ der ein© hohe Schmelztemperatur hat. Diese Bedingungen werden !beispielsweise erfüllt ctareh einen Leiters der wenigstens teilweise aus ICosistaatam ofler Manganin besteht«

eine einwandfreie K©E®utierung des Stroms ύόμ UnterbreeliMiigselement 42 auf den Schmelzleiter 2 wird es im allgemeinen Torteilhaft seia_P des iiintisg der' Spannung am Schiielzleitsr 2 zu begrenzea, weil !sei einem steilen Anstieg der Spannung in diesem Kreis aueh die soebea gelöeohte Unterbrechmigsstelle 43 feelastet wird«. Diese üffiterbrechungsstelle muB deshalb so gestaltet seinj, daß sie aaeh einer Stromunterbreclrang in sehr kurser Zeit spannungsfest wird. Zu diesem Sweck kann der Sehmelsleiter 43 in Quarssand oder auch einem gasenden Kunststoff eingebettet werden. Die Unterbreehungsstelle 43 kann gireelmäBig im Takuum angeordnet sein. Ferner kann die UnterbrechungEstelle durch eine fremd- oder selbsterseugte Beblasung schnell entionis—iert werden. Außerdem kann dem Schmelzleiter 43 eine Yakraaifimkenstrecke parallelgeschaltet eein, die im Hennbetrieb überbrückt ist. Diese Vakuumfunkenstreck© hält sofort nach dem Yerlöschen des Lichtbogens in der Unterbrechungsstelle des Leiters 43 eine ihrem Unterdruck entsprechende Spannring«

Außerdem kann anstelle des Schmelsleiters 43 in dem Unterbrechungselement 42 auch ein mechanischer oder elektronischer Trenner verwendet werden, der vorübergehend eine genügend große Kommutierungsspannung aufbaut, um den Strom I- auf den Schmelzleiter 2 zu übertragen. Anschließend muß er während

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der Schaltzeit des parallelgeschaltetea StroMsi^eiges mit dem SahmeXzleiter 2 ein© ausreichende Spaimimgsfestigkeit damit eine Eücktommutierimg des Stromes Terhiadart wircL

14 Pateatanspriiciie
4 Figuren

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Claims (1)

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   Patentanspruch©

   ■1 ο IDXelrferisehe Üfosrgtrosiisicherang slit ©lassa Schmelzleiter₉ dag©Is©nnzeiclm©t₉ daß Löschblech© (B Ms H) aus ©lek-

   ieiteaä©® Material iro^ggsefeea §iad_§ die mit ihren Flachheiten quer sur Längsrichtung des Schmelgleiters (2) a,u&g@ä®tmt und in dessen läagsriohtwjig hintereinander angeordnet sind ΈΜά d©rea Stimkantea, am Schmelzleiter (2) unmittelbar anliegen odsr deren Abstand (3) vom Schmelzleiter (2) MsJistsns so groß ist₉ dai mit üem Durchschmelg@a des SelM©lgl@iter® (2) aoeh S«illic!itbog@a (15 Ms 17)

   β tlberstroiasieherung nach Anspruch U₅ dadurch. g@k©2ingelelinet daß del³ Schmelsleiter (2) usid di© ISselibleohe (8 Ms 11) ©in einzige© und geffieiasaaes Bauteil.Mlden.

   ds® &®r Schmelzleiter (2) in @in® lussparuag (3) der lösch blech© (8 Me 11) eingesogen ist'(F±ge"1) < >

   der Schmelzleiter (2) gwi@sh©n den Löschblechen (12, 13) eingeklemmt ist (-Pigo3)o

   5. Überstromsioherung nach einem der Ansprüche 1 Me 4» dadurch gekennzeichnet9 daß der .Schmelzleiter (2) im Vakuum angeordnet istβ

   6. Überstromsieherung nach einem der Ansprüche 1 Ms 4» dadurch gekennzeichnet j daß der Solmelaleiter (2) umi cli© Löschblech© (11 tsswo 12,13) in einer Löschkammer mit w©~

   ' nigstens einer Bruckausgleichsöffnung (20»21) au sind (Pig.2 und 3)»

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   7. 'Überatromsicherung Bach Anspzuoh 6₉ dadurch gekennzeichnet,

   daß wenigstens eine Wand. (18 bznr» 28) der .Löschkammer aus gasdurchlässigem Material "besteht <>

   8. Überstromsicherung nach Anspruch 6_S as.uM.Toa gekennzeichnet,

   daß die Wand (18«,28) dsr löschkammer au® Loch- oder Sieb» keramik "besteht*,"

   9· Übersteigsicherung nach einen- der Anspruch© 1 "bis S₉ dadurch gekennzeichnet,.daß dem Schmelzleiter (2) noefe. ein weiteres Unterbrechungselement (4-2) parallelgeschaltet ist (Pig.4).

   10. Überstromsicherung nach Anspruch 9 s dadurch

   daß als Unterbrechungselement (42) eine Schselssichax-umg mit'einem in Quarasand eingebetteten Schmelzleiter (43) vorgesehen ist» · ,

   11. ÜberBtrömsicherung nach .tosprueh 9 _s dadurch gekezmzeichnet ₉

   daß als Unterbrechungsele^eat (42) eine Schmelssiclaerimg mit einem in gasenden Kunststoff eingebetteten Seluaelsleiter (43) vorgesehen ist«,

   12. Überstromsicherung nach Anspruch 9s dadurch gekennzeichnet₉. daß als Unterbrechungselement (42) ©in® mechanisch© Trennstelle vorgesehen ist.

   13. Überstromsicherung nach Ansprach 9s dadurch daß als Unterbrechungselement (42) ein elektronischer Unterbrecher vorgesehen ist«,

   14· Überstromaicherung nach einem der Ansprüche 10 Ms 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Untarbrechungsslement (42) im Vakuum angeordnet ist_o

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