DE2363896A1 - Strombegrenzungssicherung - Google Patents

Description

Strombegrenzungssicherung

Die Erfindung bezieht sich auf Strombegrenzungssicherungen und insbesondere auf solche Sicherungen, die ein schmelzbares Element aufweisen, das in einer isolierenden Patrone zwischen zwei elektrisch leitenden Klemmen aufgehängt und von einer Masse aus Peststoffmaterial umgeben ist, das einen elektrischen Lichtbogen einschließt, der nach dem Schmelzen des schmelzbaren Elementes gezogen wird, um dadurch eine Stromkreisunterbrechung mit Strombegrenzungscharakteristik zu erzielen.

Strombegrenzungssicherungen werden im allgemeinen dazu verwendet, elektrische Geräte und Schaltungsanordnungen vor Fehlerströmen in der Weise zu schützen, daß die plötz-

«09831/0722

liehe Unterbrechung des Kreisstromes keine hohe transiente Spannung erzeugt, die höchst nachteilig für das elektrische Gerät, die Isolation und ähnliches sein kann. Derartige Sicherungen werden bei Applikationen eingesetzt, in denen die Wirtschaftlichkeit ein wichtiger Faktor und die Auswechselung einer Sicherung in einer vernünftigen Zeit eine akzeptable Praxis ist, im Gegensatz zu solchen Umständen, bei denen eine unmittalbere Wiederherstellung des Schaltkreises erforderlich ist. Im letzten Fall werden Schalter oder tfiedereinschalter verwendet.

Eine der am allgemeinsten verwendeten Typen von Strombegrenzungssicherungen ist die sogenannte mit porösen Feststoffen gefüllte Patronensicherung, in der ein leitfähiges schmelzbares Element oder eine entsprechende Verbindung in einer isolierenden Patrone zwischen zwei Klemmen eingeschlossen und von einer Masse aus porösem Feststoffmaterial umgeben ist, das beispielsweise Sand oder Siliciumdioxyd in fein verteilter Form sein kann. Eine derartige Sicherung arbeitet in der Weise, daß die schmelzbare Verbindung schmilzt und ein stromführender Lichtbogen zwischen den ungeschmolzenen Teilen der Verbindung überschlägt. Im allgemeinen werden, wenn der Lichtbogen brennt, die ungeschmolzenen Teile um so weiter voneinander getrennt,desto mehr die Verbindung schmilzt. Strombegrenzungseigenschaften werden durch die Art des porösen Füllmaterials erhalten, das den Lichtbogen eng einschnürrt, aber trotzdem gestattet, daß leitende Spezies des Lichtbogens in die Poren diffundiert und auf den relativ kal-

409831/0722

ten Partikelchen kondensiert, wodurch dem Lichtbogen leitende Spezies entzogen wird, xvährend gleichzeitig der Lichtbogen im wesentlichen auf das ursprünglich von der schmelzbaren Verbindung eingenommene Volumen eingeschlossen und eingeengt wird. Von großer Bedeutung für die Strombegrenzungseigenschaft derartiger Sicherungen ist ihre Charakteristik, über dem einen hohen Widerstand aufweisenden Lichtbogen eine Bogenspannung zu entwickeln, die wesentlich höher als die Systemspannung ist. Die Energieerhaltung führt zu der Entwicklung einer Spannung innerhalb des Systems, die der Überspannung des Systems äquivalent ist und eine solche Polarität aufweist, daß der Lichtbogenstrom schnell auf Null herabgedrückt wird, der Lichtbogen gelöscht und der Systemstrom unterbrochen wird.

Viele Probleme bestehen hinsichtlich von Strombegrenzungssicherungen, die einen Lichtbogen mit hohem Spannungsgradienten aufweisen. Eins der größten Probleme ist die Schwierigkeit, gleichförmige elektrische Eigenschaften zu erhalten, wie beispielsweise die Zeit zum Löschen des Lichtbogens und zum vollständigen öffnen des Schaltkreises für Sicherungen mit identischem physikalischem Aufbau. Es ist ferner schwierig, derartige Sicherungen mit dem gleichen Bogenspannungsgradienten und Strom-Zeitcharakteristik während der Lichtbogenausbildung reproduzierbar herzustellen.

Ein weiteres Problem, das bei Sicherungen des vorstehend beschriebenen Typs oft trifft, ist die Größe der Sicherung,

1/0722

die zur Unterbrechung eines gegebenen Stromes erforderlich ist. Dies liegt teilweise an der kleinen thermischen Leitfähigkeit von Siliciumdioxyd und anderen Materialien, die
als Füllstoffe verwendet werden. Da die Wirksamkeit des
Füllmaterials als ein den Lichtbogen einschnürrenden und ^den Strom .begrenzenden Mittel stark abhängig ist von seinem Vermögen, thermische Energie von dem im Betrieb der
Sicherung gezogenen Lichtbogen abzuführen, kann die kleine thermische Leitfähigkeit derartiger Füllstoffe ein Nachteil sein. Da andererseits die thermische Leitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit häufig in enger Beziehung zueinander stehen und der Füllstoff ein guter Isolator mit einer hohen dielektrischen Festigkeit sein muß, ist dieses
Problem nicht leicht zu lösen gewesen.

Demzufolge besteht die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, Strombegrenzungssicherungen des vorstehend beschriebenen Typs zu schaffen, die verbesserte Stromunterbrechungscharakteristiken aufweisen.

Kurz gesagt weisen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verbesserte Strombegrenzungssicherungen des Typs mit einer mit Feststoffen gefüllten Patrone eine isolierende
Patrone und ein Paar leitender Klemmen an deren gegenüberliegenden Ea-^den auf. Ein elektrisch leitfähiges schmelzbares Element ist zwischen den gegenüberliegenden Klemmen
aufgehängt und von einer dicht gepackten porösen Masse aus feinem Feststoffmaterial umgeben, wie beispielsweise einem feuerfesten bzw. hochschmelzenden Oxyd oder Nitrid, das

eine hohe dielektrische Festigkeit und exzellente Isolier-

- 5 409831/0722

eigenschaften besitzt. Die Peststoffmasse ist zu einer selbsttragenden festen Masse zusammengebunden durch einen anorganischen Binder, der im wesentlichen die gesamte Oberfläche von jedem Partikelchen der Masse überdeckt, aber die Porosität der Masse nicht wesentlich beeinflußt. Das Bindermaterial ist ein solches, das die Isoliereigenschaften der Fes'tstoffmasse nicht verschlechtert und auch seine mechanischen Bindeeigenschaften nicht bei hohen Temperaturen verliert, wie sie in der Feststoffmasse auftreten, wenn diese einem den Strom unterbrechenden Lichtbogen ausgesetzt ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Binder der Verdampfungsrest einer kolloidalen Suspension aus einem feuerfesten bzw. hochschmelzendem Oxyd in einem verdampfbaren Lösungsmittel, wie beispielsweise kolloidales Siliciumdioxyd.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Figur 1 ist eine schematische Querschnittsansicht von einer vereinfachten erfindungsgemäßen Strombegrenzungssicherung.

Figur 2 ist eine vertikale Ansichten der einige Teile aufgebrochen dargestellt sind, von einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 3 ist eine vertikale Querschnittsansxcht der in "Figur 2 gezeigten Sicherung nach einem Schnitt entlang der Linie 3-3.

409831/0722

Figur 4 ist eine Kurvendarstellung von Spannung und

Strom als Funktion der Zeit für eine typische bekannte Strombegrenzungssicherung und eine vergleichbare erfindungsgemäße Sicherung.

Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, wird'zwar der exakte physikalische Mechanismus der Wirkungsweise von Strombegrenzungssidierungen noch nicht genau verstanden, die eine Peststoffmasse als den Lichtbogen einengendes Material verwenden, das das schmelzbare Element umgibt. Es wird jedoch allgemein angenommen, daß bei überschreiten der Schmelztemperatur des schmelzbaren Elementes ein Teil davon geschmolzen wird und zwischen den unmittelbar benachbarten Teilen davon ein Lichtbogen ausgebildet wird. Wenn dieser Lichtbogen brennt-, werden die unmittelbar benachbarten Teilen des schmelzbaren Elementes geschmolzen, und die Länge des Lichtbogens dehnt sich schnell aus, um so einen großen Teil der Länge, wenn- nicht sogar praktisch die ganze Länge, des schmelzbaren Elementes einzunehmen. Da der für den Lichtbogen verfügbare Raum im wesentlichen, theoretisch, nur derjenige Teil der Patrone ist, der von dem schmelzbaren Element eingenommen wird, ist der Lichtbogen stark eingeschränkt und hat einen relativ hohen Spannungsgradienten in der Größenordnung von 200 Volt pro Zentimeter. Demzufolge wird die Nennspannung einer gegebenen Sicherung durch die Länge des schmelzbaren Elementes bestimmt. Für Niederspannungssicherungen kann sich ein kurzes gerades Schmelzelement, das beispielsweise in der Form eines Drahtes oder eines dünnen Bandes vorliegen kann,,

«as *7 «

409831/0722

über die Län^e der Sicherungspatrone erstrecken.Für höhere Nennspannungen ausgelegte Sicherungen kann das Schmelzelement in einer spiralförmigen oder einer anderen ähnlichen äpulenförmigen, gewundenen oder serpentinenförmigen Konfiguration gewickelt sein, um eine größere Länge des schmelzbaren Elementes und demzufolge einen längeren Lichtbogen innerhalb einer gegebenen Sicherungspatrone zu erhalten. Da die Länge der Sicherung, die geschmolzen ist, größer wird, steigt die in den Stromkreis eingefügte Bogenspannung schnell aber kontinuierlich an, um so die Erzeugung eines augenblicklichen hohen Widerstandes zu verhindern, der die Erzeugung von transienten Spannungsspitzen bewirken könnte, die höchst nachteilig sind für Schaltungsanordnungen und -Geräte, die zu der Sicherung gehören. Dies gilt insbesondere für solche Schaltungsanordnungen und Geräte, die induktive Elemente enthalten. Diese Einfügung des zunehmend größer werdenden Widerstandes durch die sich rasch vergrößernde Länge des . sfromfuhrenden Lichtbogens ist ift^iissenz der Mechanismus, durch den die Strombegrenzungseigenschaften der Sicherung erhalten werden.

Die Löschung des . stromunterbrechenden Lichtbogens wird durch die Einengung des Lichtbogens durch das den Lichtbogen einschnürenden Mittel erreicht, das die Entwicklung einer hohen Spannung über dem Lichtbogen bewirkt, die eine passende und entgegengesetzt gerichtete Spannung in dem System bewirkt, mit dem Effekt, daß die entgegengesetzt gerichtete Spannung den Lichtbogenstrom auf Null

- 8 409831/0722

herabdrückt. Somit sind derartige Sicherungen zum Abschalten von Gleichströmen wirksam und hängen nicht von einem naturgemäß auftretenden Nulldurchgang des Stromes ab, wie es bei Wechselstromschaltungen der Fall ist. Während der Lichtbogenbildung gestattet die poröse Natur der den Lichtbogen einschnürenden Matrix, die den Lichtbogen einzwängt, daß leitende Spezies in die Löcher der Matrix eindringt und auf den Partikelchen kondensiert, wodurch die Wärmeabfuhr unterstützt und die maximale Kraft begrenzt wird, die auf die äußere Sicherungspatrone ausgeübt wird.

Andererseits kann in einer Wechselstromschaltung die Löschung des Lichtbogens aufgrund der Kombination der oben beschriebenen Effekte und dem Auftreten eines Stromnulldurchganges oder einer Annäherung des Stromes an Null auftreten, zu welcher Zeit der Lichtbogen gelöscht wird und bei Auftreten der nächsten Halbwelle nicht wieder rückzündet. Dies liegt an dem hohen elektrischen Widerstand der verbleibenden Peststoffmatrix, die das schmelzbare Element ursprünglich umgibt. Normalerweise wird jedoch selbst in Wechselstromschaltungen der Bogenstrom auf Null herabgedrückt, bevor ein normaler Stromnulldurchgang auftritt, d.h. in gleicher Weise wie beim Gleichstrombetrieb. Da bei Wechselstrom die Spannung die Tendenz besitzt, in der letzten Hälfte von jeder Halbschwingung von einem Spitzenwert abzufallen, kann die'Löschung leichter sein als bei Gleichstrom.

Der vorstehend beschriebene Mechanismus von Strombegrenzungssicherungen mit ~ lichtbogenlöschendem gepackten

- 9 409831/0722

Feststoffmaterial wird' in der Praxis nicht immer - erzielt. Ein hervorstechender Grund für ein Versagen, die ideale Betriebsart zu erzielen, liegt in der porösen Natur des Feststoffmaterials und der Möglichkeit einer inhomogenen Materialverteilung mit dem Einschluß von Löchern oder weniger dicht gepackten Teilen des Feststoffmaterials. Zusätzlich ist eine lose Agglomeration von Feststoffpartikelchen,die ein schmelzbares Element umgeben, empfindlich gegenüber physikalischer Verschiebung durch den intensiven Druck des eingeschlossenen Lichtbogens während des Betriebes der Sicherung. Sollte,irgendeine der vorstehend beschriebenen Situationen bestehen, so ist es für den stromführenden Lichtbogen möglich, sich in ein bereits bestehendes Loch oder in eine entsprechende Stelle auszudehnen, die durch die Expansion des Lichtbogens aufgrund seines hohen Druckes und der Mobilität der Partikelchen des umgebenden Mediums erzeugt wird. Eine derartige Expansion verkleinert dann den Zwang auf den Lichtbogen und senkt dessen Spannungsgradienten, so daß der Lichtbogen für einen Zeitraum weiterbrennen kann, der für einen richtigen Schutz des zugehörigen Gerätes untragbar ist. Letzten Endes kann, wenn der Lichtbogen für einen ausgedehnten Zeitraum weiterbrennen sollte, das umgebene Feststoffmaterial tief geschmolzen und elektrisch leitend werden, was zu einem Versagen der Sicherung führt.

Bekannte Arbeiten auf diesem Gebiet haben versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß das Feststoffmaterial, das das Schmelzelement umgibt, so dicht wie möglich gepackt wird. So ist beispielsweise in der US-Patent-

- 10 409831/0722

- ίο -

schrift 2 740 187 eine Patrone mit einem Schmelzelement beschrieben, die mit einem festen lichtbogenlöschenden Material gefüllt vird,während die Patrone auf einem Schütteltisch geschüttelt wird, wodurch ein höchst dicht und eng gepackter Füllstoff erzeugt wird, der gegenüber den oben erwähnten Fehlermechanismen weniger empfindlich ist. Abgesehen von den vorstehenden Ausführungen sorgen Sicherungen, die durch Vibration hergestellt sind, nicht für· eine ausreichend garantierte betriebliche Leistungsfähigkeit, um ein Versagen aufgrund der vorgenannten Fehlermechanismen vollständig auszuschließen. Darüber hinaus können, was noch wichtiger ist,.selbst mechanisch verdichtete pulverförmige oder Feststoffp.atronen in ihrem Verhalten unregelmäßig werden. Das bedeutet, daß eine Anzahl von Sicherungen, die durch das gleiche Verfahren hergestellt sind und die gleichen physikalischen Eigenschaften besitzen, ungleiche Charakteristiken zeigen können, wie beispielsweise im Hinblick auf Lichtbogenstrom, Zeit zur vollständigen Unterbrechung des Lichtbogens und Bogenspannungsgradienten und I T-"DurchJLaßgröße", die das Integral von I -dt ist, wo I der Strom während der Lichtbogenbildung während des Zeitintervalls vom Schmelzen der Sicherung bis zum Löschen des Lichtbogens ist.

Der Fehler bekannter Sicherungen, ungleichförmige elektrische Charakteristiken zu besitzen, ist von besonderer Wichtigkeit, da,wenn..der.-Wennstrom einer bestimmten Sicherung einen vorbestimmten Wert überschreitet, es erforderlich wird, eine gegebene Schaltung oder ein Gerät mit einer Vielzahl paralleler Sicherungen zu schützen. Dies

- 11 409831/0722

liegt daran, daß es eine maximale Querschnittsfläche des den Schaltkreis unterbrechenden Lichtbogens gibt, der durch den Mechanismus von feststoffartigen Patronensicherungen gelöscht werden kann. Empirisch ist ermittelt worden i daß für einen runden Draht ein Durchmesser von etwa 0,25 ram (0,010 Zoll) der maximale Durchmesser ist, der gewöhnlich in Sicherungen dieses Typs verwendet werden kann. Bei Bändern mit rechtwinkligem Querschnitt ist ein Band mit einer · Dickenausdehnung (der kleineren von Breite und Dicke)von etwa 0,25 mm (0,010 Zoll) etwa das größte Element ist, das gewöhnlich verwendet werden kann. Der Grund für diese Begrenzung liegt darin, daß, sollte die Querschnittsausdehnung des Schmelzelementes, die die Querschnittsfläche des eingeengten Lichtbogens während des Sicherungsbetriebes bestimmt, diesen Wert überschreiten, der Spannungogradient des Lichtbogens ungenügend hoch v/erden könnte, um seine Löschung in einer ausreichenden Zeit zu gestatten,um einen zufriedenstellenden Sicherungsbetrieb zu erzielen.

Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß es schwierig ist, Sicherungen mit einer Vielzahl paralleler Schmelzelemente in einer lichtbogenlöschenden Peststoffmatrix zu bauen, ohne daß ein einzelnes der zahlreichen Schmelzelemente oder der dadurch hervorgerufene Lichtbogen einen im falschen Verhältnis stehenden Strom führt, wodurch die Sicherung nicht mehr in gewünschter Weise arbeiten kann. In derartigen Anordnungen ist die im wesentlichen gleiche Aufteilung des Gesamtstromes auf jedes der zahlreichen paral-

- 12 A09831/0722

len Schmelzelemente oder die dadurch gezogenen Lichtbogen wesentlich, um ein Versagen der Sicherung durch eine gegenüber der Gesamtzahl kleineren Zahl von Lichtbogenpfaden zu vermeiden, die einen unannehmbar hohen Strom leiten, mit dem Ergebnis, daß entweder der Lichtbogen nicht gelöscht werden kann oder eine überhöhte Energie in die Schaltungsanordnung eintritt. Die Schwierigkeit, reproduzierbare Charakteristiken bei Sicherungen dieses Typs selbst bei mechanischer Verdichtung während der Herstellung zu erhalten, hat die Verwendung von parallel angeordneten Vielfach-Schmelzelementen für höhere Ströme schwierig gemacht.

Es wurde nun jedoch gefunden, daß stark verbesserte elektrische Eigenschaften von den Feststoffmaterial zur Licntbogeneinschnürung aufweisenden, strombegrenzenden Patronensicherungen erhalten werden, wenn das Peststoffmaterial sowohl mechanisch verdichtet als auch dicht verbunden wird zu einer festen, selbsttragenden aber trotzdem porösen Masse durch einen geeigneten anorganischen Binder, der iveder die elektrischen Eigenschaften des den Lichtbogen einengenden Materials verschlechtert noch seine mechanischen Bindeeigenschaften verliert bei der Temperatur, der die poröse Masse des den Lichtbogen löschenden Materials während des Betriebes der Sicherung ausgesetzt wird.

Erfindungs^gemäß aufgebaute Sicherungen besitzen stark verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu bekannten Sicherungen, wie es im folgenden noch eingehend beschrieben wird. Zu diesen Verbesserungen gehören eine signifikante Erhöhung des Bogenspannungsgradienten, um sogar . 50 % aufgrund der größeren Einschnürung des stromführenden Licht-

409831/0722 - U -

bogens; ein viel kleinerer Strom während des Sicherungsbetriebes als bei den bekannten Sicherungen; eine Verkleinerung der sogenannten "Durchlaßgröße" (die häufig als

ρ
I T-Dur chi aß größe bezeichnet wird., welche, wenn sie mit dem Widerstand multipliziert wird, ein Energiemaß ist) für die geschützten Schaltungselemente um sogar 1/5 derjenigen bekannter Sicherungen; eine Verminderung der Gesamtenergieabfuhr während des Betriebes um sogar 50% gegenüber vergleichbaren bekannten Sicherungen; zuverlässige
Reproduzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften bis zu dem Grad, daß Sicherungen, 'die eine Vielzahl identischer Schmelzelemente parallel verwenden, mit einer gleichen
Aufteilung des Gesamtstromes unter den Lichtbogen arbeiten, die durch das Schmelzen einzelner Schmelzelemente
während des Betriebes gezogen werden; und eine stark erhöhte thermische Leitfähigkeit der porösen Matrix, die
zu einer signifikanten Erhöhung des Führungsvermögens
stationärer Ströme eines schmelzbaren Elementes gegebener Größe führt.

In "^igur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sicherung gezeigt, die eine isolierende Sicherungspatrone 1 aufweist, die an beiden Enden durch eine leitende Klemme 2 abgeschlossen ist. Diese Klemmen sind mit einem schmelzbaren Element oder einer Verbindung' 3 verbunden, die zahlreiche Verengungen 4 aufweist und zwischen
zwei Halterungsteilen 5 aufgehängt ist, wobei der Abstand zwischen diesen Halterungsteilen 5 die maximale Länge des den Strom. ■ unterbrechenden Lichtbogens bestimmt.

- 14 -

409831/0722

Die Patrone 1 der Sicherung gemäß Figur 1 kann aus irgendeinem geeigneten Isoliermaterial hoher dielektrischer Festigkeit hergestellt iverden, das für den Spannungswert geeignet ist, für die die Vorrichtung ausgelegt ist. Typischerweise können solche Materialien beispielsweise Fiberglas, Epoxyharz, Quarz oder Keramikmaterialie-n sein. Die Klemmen 2 sind auf geeignete Weise aus einem Leitermaterial hergestellt, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, das beispielsweise mit Silber plattiert sein kann, um dessen Oxydationsbeständigkeit zu verbessern. Die Halterungsteile 5, die im allgemeinen eine große Querschnittsfläche besitzen im Vergleich zur Querschnittsfläche des schmelzbaren Elementes 3, sind im allgemeinen aus dem gleichen Material hergestellt, wie die Klemmen 2. Das schmelzbare Element 3 kann aus einem Leitermaterial, wie beispielsweise Silber, Kupfer, mit Silber überzogenes Kupfer, Aluminium oder mit Silber überzogenes Aluminium, Zinn und Zink hergestellt sein. Es können ein oder mehrere verengte Regionen 4 auf der Länge des schmelzbaren Elementes 3 vorgesehen sein, um zu bewirken, daß dessen elektrischer spezifischer V/iderstand höher ist als derjenige des übrigen Abschnittes des schmelzbaren Elementes, damit das Schmelzen des Schmelzelementes an diesem Punkt beginnt. Im Falle einer Sicherung mit relativ kleiner Spannung brauchen nur ein einziger oder einige wenige verengte Bereiche vorgesehen sein, und der Lichtbogen wird dort gebildet und brennt von dort rasch in beide Richtungen zurück. Bei Anwendungsfällen mit- höherer Spannung ist eine große Anzahl von verengten Bereichen in dem Schmelzelement vorgesehen, um eine im wesentlichen gleichzeitige Ausbildung einer

409831/0722

großen Vielzahl von Lichtbögen zu bewirken, unter denen der Spannungsgradient aufgeteilt wird, wodurch viele Brennsteilen herbeigeführt werden, um die rasche Ausbildung einer Vielzahl in' Reihe miteinander verbundener Lichtbogen und.einen hohen Spannungsgradienten zwischen den Sicherungsklemmen in kürzester Zeit zu erleichtern, wobei gleichzeitig das plötzliche Auftreten eines großen Widerstandes in dem Schaltkreis vermieden xtfird, der zu der Erzeugung nachteiliger hoher transienter Spannungen führen würde. Derjenige Bereich in der Patrone 2, der nicht von den Halterungsteilen 5 und dem Schmelzelement 3 eingenommen wird, ist im wesentlichen mit einer dicht gepackten Matrix aus Feststoffmaterial 6 gefüllt, das exzellente Isoliereigenschaften und eine hohe dielektrische Festigkeit aufweist und eine poröse Matrix für de.i Eintritt von leitender Spezies aus einem gebildeten stromführenden Lichtbogen liefert, um eine schnelle-Energieabfuhr von dem Lichtbogen zu bewirken, während trotzdem eine Einschnürung des Lichtbogens herbeigeführt wird. Die Matrix 6 kann aus irgendeinem feuerfesten bzw. hochschmelzenden Material mit großem spezifischem Widerstand und hoher dielektrischer Festigkeit aufgebaut sein. Vorzugsweise wird sie ,jedoch von einem der Oxyde oder Nitride von Metallen, wie beispielsweise Silicium, Magnesium, Aluminium, Beryllium, Calcium und Strontium und Mischungen derartiger Verbindungen gebildet. Siliciumdioxyd, das den höchsten elektrischen Widerstand bekannter Isolatoren besitzt und als Sand oder Quarz einfach verfügbar ist, ist im allgemeinen aus Herstellungsgründen bevorzugt. Die Matrix 6 ist so dicht wie möglich gepackt. Dies kann durch mechanische Mittel geschehen, die für Fertigungstechniken

- 16 409831/0722

geeignet sind,' wie beispielsweise durch Schütteln bzw. Vibrieren, während die Matrix in die Patrone gegossen wird. Die Matrix wird weiterhin zu einem festen selbsttragenden, dicht anhaftenden Körper verbunden durch die Zumischung eines geeigneten anorganischen Binders entweder vor dem Füllen oder η ach dem Füllen. Der Binder wird in ausreichendervztfgesetzt, um jedes einzelne Partikelchen der Feststoffmasse über praktisch seiner gesamten Oberfläche zu überziehen, ohne daß die Porosität der Matrix wesentlich verkleinert wird.

Die elektrischen Eigenschaften des verwendeten Binders, um die Matrix 6 zu einer festen selbsttragenden Masse, aus porösem Feststoffmaterial zu verbinden, sind sehr wesentlich und werden durch sorgfältige Auswahl ihrer chemischen und physikalischen Natur erfüllt. Das Bindermaterial muß so beschaffen sein, daß eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des porösen Feststoffmaterials, dem es zugesetzt wird, vermieden wird, so daß während des Betriebes der Sicherung, wenn die Verbindungsmatrix des porösen Feststoffmaterials der hohen Temperatur des stromführenden Lichtbogens ausgesetzt wird, die typischerweise wenigstens inderGrößenordnung von 20 000⁰K liegt der elektrischer Widerstand der Matrix durch das Vorhandensein des Binders nicht nachteilig beeinflußt wird. Zusätzlich muß der Binder von solcher Art sein, daß er solchen Temperaöurbedingungen während des Bestehens des Lichtbogens widersteht, ohne eine ausreichende Gasmenge freizusetzen, die die mechanische Integrität der Patrone nachteilig beeinflussen würde ,noch 'darf er __Beine physikalischenBindeeigenschaften verlieren. Da darüber hinaus die Betriebsweise

409831/0722 - 17 -

derartiger Sicherungen so aussieht, daß von der Sicherung eine merklich Temperatur von sogar etwa 400 C für längere Zeiträume toleriert x^erden muß, ohne daß sie schmilzt, darf das Bindematerial weder wesentliches gasförmiges Material entwickeln, noch seine Bindeeigenschaften verlieren, noch sich zersetzen,_tum irgendwelche elektrisch leitende Substanz bei niedrigeren Temperaturen in der Größenordnung von ^iOO⁰C fur längere Zeiträume noch bei höheren Temperaturen des stromführenden Lichtbogens für relativ kurze Zeiträume freizusetzen. Sollte irgendein derartiges Material, wie beispielsweise kohlenstoffhaltiges Material, freigesetzt werden, würde ein derartiges Material während des Bestehens des Lichtbogens die Isoliercharakteristiken des verbundenen., den Lichtbogen einschnürenden Feststoffmaterials verschlechtern und eine vollständige Löschung der Stromleitung schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, machen.

Diesbezüglich leuchtet ein, daß organische Materialien, wie beispielsweise Phenolharze, Epoxyharze, Melaminharze und Silikonharze, nicht zufriedenstellend sind aufgrund der Gegenwart von Kohlenstoff, der entweder in Form eines kohlenstoffhaltigen leitenden Restes oder in Gegenwart von Sauerstoff als Kohlenstoffdioxydgas freigesetzt werden kann, das die physikalische Integrität der Sicherung nachteilig beeinflussen könnte. Derartige Erscheinungen machen·zusammen mit dem Vorhandensein von anderen leicht dissöziierbaren Materialien organische Bindermaterialien ungeeignet für die Bindematrix 6. Innerhalb der Kategorie der anorganischen Binder ist jedes Material als ein Binder geeignet,

- 18 409831/0722

- 13 -

das nicht seine Bindecharakteristiken über längere Zeiträume von beispielsweise mehreren Stunden bei Temperaturen bis zu 4OO°C oder über relativ kurzen Zeiträumen verliert, wie beispielsweise einige Millisekunden bis zu mehreren Sekunden bei Temperaturen des stromführenden Lichtbogens von beispielsweise 20 000⁰K_s und der sich unter derartigen Umständen nicht zersetzt oder auf andere Weise seinen Charakter ändert ,-ura entweder eine wesentliche Menge an gasförmigen Material oder elektrisch leitenden .Stoffen, wie beispielsweise Kohlenstoff oder Graphit,emittiert, a_as die Isoliereigenschaften des porösen pulverföriuigen Materials verschlechtern könnte, das den Binder Dildet.Innerhalb der akzeptablen anorganischen Verbindungen wurde gefunden, daß Oxyde und Nitride der gleichen Materialien in idealer Weise geeignet sind, die die poröse pulverförmige, lichtbogenlöschende Substanz bildet. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß aiese Materialien in kolloidaler Suspension dem porösen pulverförmigen Material zugesetzt und durch einen geeigneten Erhitzungs- und Trocknungszyklus behandelt werden, um das verdampfbare Lösungsmittel auszutreiben. Geeignet sind beispielsweise Siliciumdioxydsole, die eine kolloidale Suspension von Siliciumdioxyd in Wasser ist, und geeignete kolloidale Suspensionen von Siliciumdioxyd, Magnesiumoxyd, Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd, Calciumoxyd und Strontiumoxyd beispeilsweise in Wasser, Äthylalkohol, Methylalkohol, Aceton, Glykolen oder Äther, die alle verdampfen, ohne einen Rest zurückzulassen, der den porösen Feststoffbinder verunreinigt. Es wurde gefunden, daß vorzugsweise der Peststoffbestandteil

- 19 409831/0722

der kolloidalen Suspension in dem Bereich von etwa 25 bis **0 Volumen-^ liegt, um optimale Fertigungsverfahren zu gestatten.

Die Größe der Partikelchen, die das lichtbogeneinschnürende Peststoffrnediura bilden, das das schmelzbare Element der erfindungsgemäßen Sicherungen umgibt, ist nicht außergewöhnlich kritisch, jedoch müssen die Partikelchen groß genug sein, um darin geeignete Fehlstellen oder Löcner auszubilden, wenn sie dicht gepackt und erfindungsgemäß verbunden werden, um eine Diffusion von Lichtbogenspezies während der Lichtbogenlöschung zu gestatten. Andererseits sollten die Partikelchen genügend klein sein, um ein dicht gepacktes Agglomerat zu bilden, das den Lichtbogen in angemessener Weise einengt bzw. einschnürt, da die Lichtbogeneinengung durch das den Lichtbogen einschnürende Medium das Mittel ist, durch das der hohe Spannungsgradient der während des Betriebes der erfindungsgemäßen Sicherungen gozoger.an Lichtbogen erzielt wird. Dies liegt daran, daß der Spannungsgradient des Lichtbogens in . einer groben Näherung umgekehrt proportional ist zum Durchmesser des Lichtbogens oder dem während des Bestehens des Lichtbogens verfügbaren Raum. Im allgemeinen liegt die geeignete teilchengröße grob in der Größenordnung von einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,025 bis 2,5 -mm (0,001 bis 0,100 Zoll). Es ist jedoch nicht erforderlich, daß alle Partikelchen den gleichen Durchmesser besitzen, und tatsächlich ist eine c"' chtere Packung möglich mit einer geeigneten Mischung von "leuchen innerhalb des angegebenen Bereiches.

- 20 409831/0722

Im allgemeinen-beträgt ,das Volumen der Patrone der erfindungsgemäßen Sicherungen, das tatsächlich von dem den Lichtbogen einschnürenden Peststoffmaterial eingenommen wird, beispielsweise etwa 60 bis 80% des Gesamtvolumens, was von der Teilchengröße und der Verteilung sowie dem Verdichtungsgrad abhängt, wobei der Rest von Fehlstellen bzw. Löchern gebildet wird, in die die Lichtbogenspezies diffundieren kann, um den Lichtbogen zu kühlen und dessen Löschung zu unterstützen.

Die·vorstehenden Erläuterungen.werden auf einfache Weise deutlich, wenn im folgenden ein als Beispiel angegebenes Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Sicherungen beschrieben wird. Die Patrone wird einschließlich der darin befindlichen ächmelsbaren Verbindung abgeschlossen, wobei sich an jedem Ende geeignete öffnungen befinden, die untere öffnung wird verschlossen, eine kolloidale Suspension von beispielsweise kolloidalem Siliciumdioxyd wird in die Patrone gegossen und der eingenommene Raum beansprucht etwa 20 bis 40 Volumen-? der leeren Patrone. Der mit Peststoffmaterial gefüllten Patrone wird Bindematerial zugesetzt bis es überfließt, die untere öffnung wird dann geöffnet und das- Bindematerial kann he raus fließen, während die Matrix festgehalten wird. Dieser Prozeß wird mehrere Male wiederholt, um sicherzustellen, daß praktisch die gesamte Oberfläche aller Partikelchen, die die poröse, den Lichtbogen;einschnürende Peststoffmatrix bilden, mit einem dünnen Binderfilm überzogen ist. Während des Füllens wird gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Sicherungspatrone mit einem Volumen von 20 air mit Sand gefüllt und nach dem

- 21 409831/0722

Verdichten wird der Patrone 6,0 cm einer kolloidalen Suspension von kollodialem Siliciumdioxyd zugesetzt, wovon etwa 1,8 cm wiedergewonnen werden, wenn der Binder aus der Patrone herausfließt. Nach dem Abtropfen wird die Patrone in Luft getrocknet, indem leicht verdichtete Luft hindurchgeleitet wird und die Patrone für eine ausreichende Zeit bei einer entsprechenden Temperatur erhitzt wird, um das verdampfbare Lösungsmittel, das beispielsweise Wasser oder Alkohol sein kann"Vüamit alle Bestandteile entfernt werden, die nicht Bindermaterial in ursprünglich kolloidaler Suspension sind. Versuche haben gezeigt, daß die tatsächliche Bindermenge,die nach einem derartigen Brennen zum Beseitigen des verdampfbaren Lösungsmittels vorhanden ist, in der Größenordnung von 1% des Gesamtgewichtes des verbundenen, lichtbogeneinschnürenden Mediums liegt.

Gemäß einem alternativen Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Sicherungen kann die Sicherungspatrone mit Öffnungen montiert werden, wobei die untere Öffnung zeitweise verstopft wird, und das pulverförmige Peststoffmaterial kann außerhalb der Patrone mit der kolloidalen Suspension vermischt werden, indem die Suspension in einem getrennten Behälter durch das pulverförmige oder feste Material gegossen wird und diese dann eine zeitlang abtropft. Dann wird das benetzte lichtbogeneinschnürende Material in die Sicherungspatrone mit oder ohne Vibration gegosssen, wobei die Vibaration Jedoch vorzugsweise vorgenommen wird, um die dichtestmögliche Packung des porösen Peststoffmaterials sicherzustellen. Nach dem Füllen der Patrone wird die untere Öffnung in ähnlicher Weise geöffnet, damit irgendwelches -

- 22 -

409831/0722

restliche Bindermaterial abfließen kann. Dann wird eine ähnliche Aushärtung vorgenommen, indem beispielsweise zu-

nächst eine Druckluftströmung von etwa 0,14 kg/cm Überdruck für etwa 15 Minuten hindurchgeleitet wird, dann eine Erwärmung bei 70⁰C für 1 bis 3 Stunden und dann eine weitere Erhitzung bei etwa 150⁰C für 1 bis 12 Stunden vorgenommen wird. Diese Aushärtung ist ausreichendem das verdampfbare Lösungsmittel vollständig zu verdampfen und das Peststoffmaterial in einer fest verbundenen porösen den Lichtbogen - .einschnürenden Matrix zurückzulassen. Um die Aushärtung der Matrix zu erleichtern, ist es wichtig·* die Lufttrocknung nach dem Abtropfen und vor dem Erhitzen durchzuführen, um eine erste Lufttrocknung zu bewirken, indem Luft unter einem mittleren Druck, d.h. 2 Atmosphären, für 10 Minuten durch die Sicherungspatrone geblasen wird, bevor diese gebrannt wird. Dies verkleinert stark die erforderliche Erhitzung. Die abschließende Back- bzw. Brenntemperatur sollte über etwa 100⁰C liegen und kann jede Temperatur sein, die nicht hoch genüg ist, um entweder die Sicherungspatrone oder die darin enthaltene schmelzbare Verbindung nachteilig zu beeinflussen. Diese Temperatur ist jedoch nicht kritisch, vorausgesetzt, sie liegt innerhalb des oben angegebenen Punktionsbereiches. Die vorstehende Beschreibung der Verfahrensschritte und der zahlenmäßigen Angaben von beispielsweise Temperatur, Zeit und anderen Trocknungsparametern dient lediglich als Beispiel^ und die gemachten Angaben sind nicht bei allen Fertigungsverfahren erforderlich.

Im allgemeinen werden Patronensicherungen des hier beschriebenen Typs von den Fachleuten entweder als Nieder-

409831/0722

spannungs- oder Hochspannungssicherungen bezeichnet. Als eine Niederspannungssicherung wird im allgemeinen jede Sicherung mit einer Nennspannung angesehen, die kleiner als 1000 Volt ist, und sie kann einen Nennstrom von beispielsweise 1000 bis 4000 Ampere aufweisen. Als Hochspannungssicherungen werden andererseits im allgemeinen solche Sicherungen bezeichnet, die Spannungen von mehr als 1000 Volt haben und beispielsweise bis zu einem industriellen Standardwert von 69 kV oder mehr hinaufreichen. Derartige Hochspannungssicherungen haben Nennströme von beispielsweise 1 bis 1000 Ampere. Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, bestimmt die Nennspannung der Sicherung die Länge des schmelzbaren Elementes, da der Bogenspannungsgradient etwa 200 Volt/ cm ist und die Länge des Lichtbogenpfades normalerweise von der Nennspannung der Sicherung abhängt oder diese festlegt. Der Nennstrom der Sicherung wird normalerweise durch die Dicke oder die Querschnittsfläche des Schmelzelementes bestimmt oder er steuert diese,' wobei der Nennstrom desto kleiner ist, je kleiner die Querschnittsfläche des Schmelzelementes ist. Wie vorstehend bereits aus- geführt wurde, gilt dies jedoch für den Fall, daß nur ein einziges leitendes Element die schmelzbare Verbindung bildet. Unter gewissen Umständen jedoch, um beispielsweise langsame Stromunterbrechungscharakt·"· _ ken und/oder hohe Ströme zu sichern, die bewirken wurden, daß ein Schmelzelement eine Querschnittsabmessung der kleinsten Ausdehnung von etwa 0,25 mm (0,010 Zoll) besitzt, sind zahlreiche Verbindungen parallel zueinander erforderlich, da ein Lichtbogen mit einem Volumen, das den Raum einer schmelzbaren Verbindung einnimmt, deren kleinste Ausdehnung größer als

- 2k - 409831/0722

dieser Wert is.t, nicht durch den Mechnismus von Sicherungen dieses Typs gelöscht werden kann. Für Nennströme, die diesen Wert (etwa 20 bis 50 Ampere in Abhängigkeit von der Auslegung der Sicherung) überschreiten, wird eine Vielzahl schmelzbarer Elemente im Parallelschaltung verwendet«

Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, ist einer der größten Vorteile der erfindungsgemäßen Sicherungen der hohe Grad an Betriebssicherheit und Reproduzierbarkeit ihrer elektrischen Eigenschaften. Dieser Vorteil und diese Eigenschaft sind von besonderer Bedeutung für Hochstrorcsicherungen, die eine Vielzahl paralleler Schmelzelemente verwenden. Versuche mit erfindungsgemäßen Sicherungen im Vergleich zu Sicherungen, die nicht verbundene, den Lichtbogen einschnürende Feststoffmatrizen verwenden, haben klar gezeigt, daß dort, wo parallel verbundene bekannte Sicherungen den Strom nicht in gleicher Weise aufteilen, erfindungsgemäß aufgebaute Sicherungen ausnahmslos, im wesentlichen identische Ströme aufweisen, die in im wesentlichen identischen parallelen Sicherungselementen fließen. Diese Charakteristik ist von besonderer Bedeutung, wenn die innere Querschnittsfläche der Sicherungspatrone groß ist, d.h. wenn sie beispielsweise größer als 2,5 cm bzvt. 1 Zoll Innendurchmesser ist. Im allgemeinen zeigen erfindungsgemäße Sicherungen die größten Vorteile gegenüber bekannten Sicherungen in dem Bereich des Patronendurchmessers von 2,5 bis 10 cm (1 bis 4 Zoll) oder mehr. Für Sicherungsdurchmesser, die kleiner als 2,5 cm bzw. 1 Zoll sind, scheinen die dicht gepackten Sicherungen mit nicht-verbundenem

- 25 409831/0722

Lichtbogenbegrenzungsmittel geeignet zu sein, die Ströme und Spannungen mit Strombegrenzung zu unterbrechen, für die sie ausgelegt sind, zumindest, wenn sie unter Labor- oder Versuchslaufbedingungen aufgebaut sind. Da auf der anderen Seite die Erzielung der dichten eng gepackten Matrix für Massenfertigungsverfahren eine schwierige Sache ist, ist es für eine kommerzielle Ausnutzung aufgrund des großen wirtschaftlichen Vorteils, wenn die langwierige Vibration während des Füllvorganges vermieden werden kann, von gleichem Vorteil, die erfindungsgemäßen verbundenen Sicherungen zu verwenden anstelle der bekannten Sicherungen, die ein nicht verbundenes, mechanisch dicht gepacktes Medium zur Einschmürung des Lichtbogens besitzen.

Im allgemeinen ist der Durchmesser der Patrone für eine gegebene Sicherung ein Maß für die erforderliche thermische Energieabfuhr. Je größer die thermische Energie ist, die in einer gegebenen Sicherung abgeführt werden muß, desto größer ist der Durchmesser der Patrone. Einen großen Durchmesser aufweisende Patronen können erforderlich sein, entweder weil das Schmelzelement sich aufgrund des hohen Nennstromes der Sicherung auf oder nahe bei der maximalen Querschnittsfläche befindet, oder alternativ weil die Sicherung eine hohe Nennspannung besitzt und/oder eine Viel-· zahl von Schmelzelementen darin enthalten ist oder ein einzelnes Schmelzelement in einer gewundenen, .serpentinenförmigen, spiralförmigen oder anderen komplizierten Konfiguration durch das den Lichtbogen.einschließende Medium hindurchführt, um so eine lange Bogenlänge innerhalb einer Sicherungspatrone gegebener'Größe zu erhalten oder um für eine Vielzahl paral-

- 26 409831/0722

leler Leitungspfade zu sorgen. Aus praktischen Gründen überschreiten Patronen für Produktionssicherungen im allgemeinen nicht einen Durchmesser von etwa 10 cm (4 Zoll), da. wenn der Durchmesser der Sicherungspatrone zunimmt, die Schwierigkeit, eine gleichförmige Verdichtung des Feststoffmaterials selbst mit Vibration zu erhalten, aufgrund der großen Anzahl der darin enthaltenen Schmelzelemente immer größer wird.

Der verblüffende Vorteil erfindungsgemäß aufgebauter Sicherungen wird teilweise aus den Ergebnissen deutlich, die in der folgenden Tabelle 1 dargestellt sind. Tabelle 1 ist eine Zusammenstellung von Unterbrechungsversuchen hinsichtlichen der maximalen Energie für entsprechende Paare von Patronensicherungen des oben beschriebenen Typs mit Durchmessern von 2,5_Ä 5 und 10 cm (i, 2 und ¹I Zoll), die paarweise parallel geschaltet sind. Als den Lichtbogen einschnürendes Feststoffmaterial ist Siliciumdioxydsand verwendet. Die Tabelle 1 stellt den Erfolg oder das Versagen des Sicherungspaares sowohl für verbundene als auch nicht-' verbundene Sandmedien dar und zeigt weiterhin, ob der Gesamtstrom durch das Sicherungspaar durch die zwei parallelen Sicherungen in gleicher Weise aufgeteilt worden ist oder nicht und ob die Sicherungsanordnung versagte oder nicht. Eine versagende Sicherung ist eine solche, die den Strom beim Auftreten eines Fehlerstromes nicht abschaltet bzw. löscht. Eine derartige Situation würde bei einer kommerziellen Installation zur Zerstörung oder ernsthaften Beschädigung des elektrischen Gerätes oder der Schaltungsanordnungen führen, die durch diese Sicherungen geschützt werden sollen, und deshalb wäre eine derartige Situation völlig unzulässig.

409831/0722 - 27 -

	MAXIMALEMSRGIE-STROKTESTS	Größe (cm)	TABELLE 1	- EXN-ELEMENT PRO ROHR	Binder	höhere Energie aufnehmendes Rohr	X	10 10	X X	gleiche Aufteilung
	Alle Sicherungen ca. 20 cm	2,5 2,5		lang. Identische Sicherungsverbindungsabmessungen	X	X Versagen	10 10	X X	gleiche Aufteilung
	parallele Rohre	UlUl	-PARALLELE SICHERUNGEN	Matrix Verdichtung	X	X
Test	A B	2,5 2,5		schlecht	X	X Versagen
9	A B	2,5 10	schlecht		X
10	A B	ro ro W te UlUl	gut		gleiche Aufteilung
11	A B	ui r\j te Ul	gut gut	X X	X Versagen
12	A B	Ul ΓΟ te VJl	gut schlecht		X
13	A B	2,5 10		X	gleiche Aufteilung
26	A B	2,5 10	gut gut	X X	Sicherungsversuche mit zahlreichen Elementen pro Rohr, parallele Rohre
32	A B	gut	A B
34	A B		Ä B
35
W
42

OO OO CD CD

Aus einer Betrachtung von Tabelle 1 wird deutlich, daß in
den Tests 9 und 10, in denen Sicherungen mit gleichem
Durchmesser verwendet wurden, von denen die eine eine erfindungsgemäße Sicherung mit Binder und die andere eine bekannte Sicherung war, bei der das lichtbogeneinschnürende Medium ohne Binder in die Patrone gegossen war, eine ungleiche Stromverteilung auftrat, wobei der größere Teil des Stromes und der Energieabfuhr auf die nicht-verbundene Sicherung konzentriert war. Obwohl dies auftrat, versagte die Sicherung mit dem Durchmesser von 2,5 cm nicht, sondern
der Strom wurde nicht richtig begrenzt. Im Test 10 versagte die nicht verbundene Sicherung, wodurch die Parallelverbindung völlig unwirksam gemacht wurde und jedes damit verbundene Gerät würde nachteilig beeinflußt werden. Im
Test 11 wurde bei einem Sicherungspaar von 2,5 cm Durchmesser, wobei in der einen Sicherung die Matrix durch Vibration dicht gepackt war und in der anderen die Matrix gemäß der Erfindung verdichtet und verbunden war,der Hauptteil
der Energie und des Stromes in der nicht verbundenen Versicherung abgeführt, aber die Sicnerungsaggregat!on versagte nicht, obwohl der Strom nicht richtig begrenzt wurde.
Im Test 12 wurden eine nicht-verbundene, durch Vibration
verdichtete Sicherung mit einem Durchmesser von 2,5 cm und eine nicht-verbundene durch Vibration verdichtete Sicherung .mit einem Durchmesser von 10 cm untersucht. Der Hauptteil
des Stromes und der Energie wurde in der größeren Sicherung abgeleitet, die daraufhin versagte, wodurch die Parallelverbindung der Sicherungen für den beabsichtigten Zweck untauglich wurde. Im Test 13 wurden zwei Patronensicherun-

- 29 409831/0722

gen mit einem Durchmesser von 2,5 cm eingesetzt, von denen die eine lose gepackt und die andere durch Vibration verdichtet war,aber keine gemäß der vorliegenden Erfindung gebunden war, und der Hauptteil des Stromes und der Energie wurde durch die schlecht verdichtete Patrone abgeführt, die zwar nicht versagte, die aber den Strom nicht richtig begrenzte. Im Test 26 teilten eine Sicherung mit ' einem Durchmesser von 2,5 cm und eine Sicherung mit einem Durchmesser von 5 cm, die beide eine erfindungsgemäße Verbundene Sandpackungsmatrix verwendeten, den Strom und die Energieabfuhr in gleicher ,Weise auf und begrenzten den Strom in zufriedenstellender Weise. Im Test 32 zeigten Patronensicherungen mit einem Durchmesser von 2,5 bzw« 5 cm und unverbundenem dicht gepackten Sand eine ungleiche Strom- und Energieverteilung, wobei der größere Teil davon von der Patrone mit dem größeren Durchmesser übernommen wurde, die dann versagte. Im Test J>k wurden eine Sicherung-mit einem Durchmesser von 2,5 cm, die eine dichtgepackte, aber nicht-verbundene Matrix aufwies, und eine Sicherung mit einem Durchmesser von 10 cm mit einer verbundenen Matrix parallelgeschaltet. Der Hauptteil der Energie wurde in der nicht-verbundenen Sicherungspatrone mit dem Durchmesser von 2,5 cm abgeleitet, die zwar nicht versagte, aber den Strom nicht richtig begrenzte. Im Test 35 wurden ähnliche Sicherungen mit einem Durchmesser von 2,5 und 10 cm verwendet, die verbundene erfindungsgemäße Matrizen aufwiesen. Sie zeigten eine gleiche Aufteilung des Stromes. In den Tests 41 und h2 wurden zwei Sicherungen mit einem Durchmesser von 10 cm, die beide eine verbundene

. '■ - 30 -

409831/0722

Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten, parallel geschaltet. In beiden Tests zeigten beide Sicherungssätze eine gleiche Aufteilung des Stromes.

Ein Vergleich der verschiedenen Tests zeigt beispielsweise, daß die erfindungsgemäßen Sicherungen immer einen höheren Bogenspannungsgradienten zeigten als eine vergleichbare Sicherung identischer Geometrie, die eine nicht-verbundene, den Lichtbogen-einschließende Matrix verwenden. · Dies führt dazu, daß der größere Teil des Stromes·durch die bekannte-Sicherung mit nicht-verbundener Matrix fließt. Keine der erfindungsgemäßen Sicherungen versagte bei der Testspannung, während etwa 50% der bekannten Sicherungen versagten, d.h. sie unterbrachen nicht den Strom. Wenn zwei erfindungsgemäße Sicherungen, die Patronen mit unterschiedlichem Durchmesser aufwiesen, parallel geschaltet wurden, teilten die Sicherungen die Last trotz des unterschiedlichen Durchmessers in gleicher Weise auf. Wenn andererseits bekannte Sicherungen mit unterschiedlichen Durchmessern parallel geschalte t wurden, führten die Sicherungen mit dem größeren Durchmesser, wobei alle anderen Dinge gleichgelassen wurden, unvermeidlich den größeren Teil der Last und diese versagten in den Tes ti 12 und 32.

Die vorstehende Tabelle 1 macht deutlich, daß erfindungsgemäße Sicherungen einen höheren Bogenspannungsgradienten besitzen als bekannte Sicherungen, und ferner zeigen sie klar den Effekt der Reproduzierbarkeit selbst bei Sicherungspatronen mit unterschiedlichen Durchmessern, so daß die gleiche

- 31 409831/072 2

Lastverteilung bei parallel geschalteten Sicherungen, d.h. bei Hochs tr omsicheigungen, kein Problem ist und auf einfache Weise erreicht werden kann, wogegen die untersuchten bekannten Sicherungen eine ungleiche Stromverteilung zeigen, und zwar selbst bei Patronen mit identischem Durchmesser und identischen Eigenschaften des den Lichtbogen einschnürenden Mediums.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßeη Sicherungen im Vergleich zu den bekannten Sicherungen ist die Schnelligkeit oder Geschwindigkeit, mit der das schmelzbare Element bei kleinen Fehlerströmen durch den sich verlängernden Lichtbogen verbraucht wird, wenn die Sicherung durch das Schmelzen des verengten Abschnittes der Sicherungsverbindung zu arbeiten beginnt, wo ein erstes Schmelzen auftritt. ■ Für den Fachmann ist diese Geschwindigkeit als die "Rückbrenn-"geschwindigkeit charakterisiert. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei Hochspannungssicherungen von Wichtigkeit, denn je größer die Rückbrenngeschwindigkeit ist, desto schneller wird ein großer Widerstand des einen hohen Spannungsgradienten aufweisenden Lichtbogen in die Schaltungsanordnung eingefügt, um glatte, strombegrenzende Unterbrechungscharakteristiken zu erzielen. Wenn die Rückbrenngeschwindigkeit nicht genügend schnell ist, kann die Sicherung versagen. Auch wenn der Zerstörungsmechanismus noch nicht völlig verständlich ist, so beinhaltet eine aufgestellte Theorie, daß eine geschmolzene Masse von demjenigen Abschnitt des festen oder porösen den Lichtbogen einengenden Mediums ausgebildet wird, der dem Schmelzbaren

- 32 -

A09831/0722

Element unmittelbar benachbart ist. Solche geschmolzenen Massen werden im allgemeinen als "Verschorfungenⁿ bezeichnet und weisen normalerweise einen hohen spezifischen Widerstand auf. Während solche: Verschorfungen bei Betätigung der Sicherungen des oben beschriebenen Typs unvermeidlich gebildet werden, wenn der Lichtbogen für eine übermäßige Zeitlänge aufgrund einer langsamen Rückbrenngeschwindigkeit und einer langsamen Spannungserhöhung brennt, kann das übermäßige Schmelzen des lichtbogeneinengenden Materials eine elektrisch leitende Verschorfung bilden, die zu einer Zerstörung bzw. einem Versagen der Sicherung führen kann. Die Ausbildung einer leitenden Verschorfung oder einer anderen leitenden gleichwertigen Erscheinung kann dadurch vermieden werden, daß die Sieherungsverbindung schnell zurückbrennt und einen Lichtbogen mit hohem Widerstand bildet, bevor die Brennzeit des anfänglichen Hochtemperaturbogens ein ausreichendes Schmelzen des den Lichtbogen· umgebenden Materials bewirken kann, um eine leitende Verschorfung zu bilden. Auch wenn diese Theorie falsch sein kann, so ist es eine untermauerte Tatsache, daß eine langsame Rückbrenngeschwindigkeit häufig zu einer Zerstörung der Sicherung führt.

In Tabelle 2 sind Ergebnisse dargestellt, die die . 'Rückbrenngeschwindigkeit für zahlreiche Sicherungen zeigen, die unterschiedliche aber recht ähnliche Querschnittsflächen der schmelzbaren Verbindung aufweisen und in denen der Strom von 22 bis 50 Ampere variiert. Die Tabelle 2 vergleicht die Rückbrenngeschwindigkeit für vier Sicherungstypen. Die

- 33 409831/0722

Sicherungen des Typs 1- sind Sicherungen, die eine gerade Verbindung mit einem den Lichtbogen- einschnürenden Medium aus nicht verbundenem verdichtetem Feststoff-Siliciumdioxydsand aufweisen; flie Sicherungen des Typs 2 haben einen nicht leitenden Kern, um den ein Band aus schmelzbarem Material herumgewickelt ist, um eine höhere Nennspannung zu erzielen, und sie sind von einer Matrix aus stark verdichtetem nicht-verbundenem Siliciumdioxydsand umgeben; die Sicherungen "gemäß Typ 3 besitzen eine einzige schmelbare Länge und ein erfindungsgemäßes den Lichtbogen· einengendes Medium aus verbundenem Siliciumdioxydsand; schließlich weisen die Sicherungen gemäß Typ 4 einen Kern auf, um den ein Sicherungsband herumgewickelt ist und der von einem erfindungsgemäßen den Lichtbogen einengenden Medium aus verbundenem Siliciumdioxydsand umgeben ist.

409831/0722

TABELLE 2

Testspannung Teststrom Elementgröße

' Test (kV) (Amp.) (mm) Kern Binder

44 7,5 22 0,109 χ 4,75

46 " " "

51 " 39 "

61 " · 43 0,142 χ 4,75

63 « " "

58 " 50 "

4> 48 " 22 0,109 x 4,75 X

S 53 ' " 39 . " X

cc ti ti ti χ

CO ^JJ ■ ·

-* 45 " 22 " X

ο 47 " " " X

J^ 52 « · 39 " X

¹¹⁰ 62 " 43 0,146 χ 4,75 X

59 » 50. " X 49 " 22 0,109 x 4,75 X ' X 54 " 39 ".XX 56 " ' " "SX

Rückbrand (cm/sek.)	•	Sicherungs typ
11	1
	1
	1
	1
	1
40	1
15,5	2
	2
31,6	2
14,5	3 ·
	3
	3
55	3
23	4
	4
43,3	4
2363896

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß für die gerade nichtverbundene Sicherung .gemäß Typ 1 die Rückbrenngeschwindigkeiten von 11 cm/Sek. bei 22 Ampere bis zu etwa 40 cm/Sek. bei 50 Ampere variieren. Die Sicherungen des Typs 2, die einen isolierenden Kern und eine nicht-verbundene Matrix verwenden, zeigen Rückbrenngeschwindigkeiten von 15,5 bis 31,6 cm, pro Sek. für Ströme von 22 bis 39 Ampere. Die Sicherungen des Typs 3 mit einer geraden schmelzbaren Länge und einer gebundenen Matrix gemäß der Erfindung zeigen Rückbrenngeschwxndigkeiten von 14,5 cm/Sek. bei 22 Ampere bis zu 55 cm/Sek. bei 50 Ampere. Die Sicherungen gemäß Typ 4, die ein um einen Kern gewickeltes Band .und ein gebundenes,den Lichtbogen einschnürendes Medium gemäß der Erfindung verwenden, zeigen Rückbrenngeschwxndigkeiten von 23 cm/Sek. bei 22 Ampere bis 43,3 cm/Sek. für 39 Ampere. Wenn also die in Figur 2 angegebenen Ergebnisse für die Sicherungen des Typs 1 und 3 verglichen werden, die außer der erfindungsgemäßen Bindung der Matrix gleich sind, wird deutlich, daß die Rückbrenngeschwindigkeit um mehr als 30% zunimmt für erfindungsgemäß aufgebaute Sicherungen mit dem gebundenen,den Lichtbogen ,einschnürenden. Medium. In ähnlicher Weise zeigt ein Vergleich der Sicherungen des Typs 2 und des Typs 4, die sich nur durch Verwendung des gebundenen Bogeneinschnürungsmediums gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden, eine Verbesserung in der Rückbrenngeschwindigkeit von mehr als 30% für erfindungsgemäße. Sicherungen. Einleuchtenderweise sind dann erfindungsgemäße Sicherungen stark verbessert gegenüber bekannten Sicherungen im Bezug auf die Rückbrenn-

- 36 409831/0722

charakteristik der Sicherung, wodurch eine stark verminderte Wahrscheinlichkeit für ein Versagen der Sicherung angezeigt wird, in der eine Verschorfung oder ein ähnlicher Mechanismus aufgrund einer kleinen Rückbrenngeschwindigkeit ausgebildet werden kann.

Es wird durchaus in Rechnung gestellt, daß gebundene Sandpatronensicherungen für Niederspannung bekannt sind. Beispielsweise ist in den US-Patentschriften 3 196 521 und 3 317 690 eine Patronensicherung beschrieben, in der eine poröse Peststoff-Sandmasse als "Füllstoff" verwendet und die Feststoffmasse mit einem nicht spezifizierten Binder zusammengehalten wird. In ähnlicher Weise ist die spätere US-Patentschrift 3 I66 656 auf aus den vorgenannten US-Patentschriften resultierende Anwendungsfälle gerichtet und gibt an, daß geeignete Binder oder Konsolidierer Melaminharze, Silikonharze und Calciumsulfat sind. Diese Lehren führen jedoch nicht zu den oben beschriebenen Vorteilen für erfindungsgemäße Sicherungen. Zunächst sei bemerkt, daß diese bekannten Sicherungen einen Epoxyharzbehälter oder eine Patrone umfassen,-die in dem einzig relevanten Ausführungsbeispiel, bei dem ein Binder verwendet ist, dadurch gebildet ist, daß eine fluidische Epoxyharzmenge in einer Form um ein Paar orthogonaler Achsen gesponnen wird. In diesem bekannten Ausführungsbeispiel wird zunächst das schmelzbare Element gebildet, das von einem Verbindungsfüllstoff umgeben ist, und der Binder allein zu dem Zweck verwendet, eine erstarrte "'Masse zu bilden, auf der die Epoxyharzausgebildet wird. Während in den US-Patentschriften

- 37 409831/0722

3 196 521 und 3 317 69O keine bestimmten Binder angegeben sind, beschreibt die spätere US-Patentschrift 3 I66 656 Binder, die in Bezug auf die Lehren der vorliegenden Erfindung zweifelsfrei ungeeignet sind, da sie in keiner Weise die erfindungswesentlichen Kriterien erfüllen, kein leitendes Material, wie beispielsweise Kohlenstoffhaltige Stoffe, bei den Betriebstemepräturen der Sicherung zu bilden oder freizusetzen, und/oder ihre physikalische Integrität beizubehalten, um so bei diesen Temperaturen weiterhin als Binder zu wirken. Wie in der wissenschaftlichen Literatur angegeben ist, erweichen beispielsweise typische Melaminharze bei einer Temperatur von etwa 400⁰F bzw. 210⁰C und sie verlieren auch ihre BindeCharakteristiken bei dieser Temperatur (s.beispielsweise Amino Acids, von John P. Blais - Reinhold Pub. Corp., New York). In ähnlicher Weise leiden typische Silikonharze unter der gleichen Erweichung und dem Verlust der BindeCharakteristiken bei etwa 500°F bzw. 260°C (s. High Temperature Plastics von Brenner, Lum und Riley, Reinhold Publishing Corp., New York, I962). Weiterhin zersetzen sich sowohl Silikon- als auch Melaminharze bei Temperaturen von 400 bis 1000⁰C. Wenn eine derartige Zersetzung in Luft durchgeführt wird, verliert beispielsweise Melaminharz allein seine'Bindecharakteristiken bei et- ■ wa 400 bis 600°C und setzt beträchtliche Mengen an Stickoxyden und Kohlenstoffdioxyd frei, die eine· Explosion der Sicherung bewirken können. Wenn andererseits die Erhitzung ohne Luft durchgeführt wird, verkohlt das Melaminharz und setzt ein kohlenstoffhaltiges Material frei, das die Festigkeit gegenüber Rückzündungen (Wiederkehrfestigkeit)

- 38 409831/0722

sehr nachteilig beeinflussen und die Isoliereigenschaften j des hochschmelzenden Isoliermaterials verschlechtern kann, aus dem das den Lichtbogen.löschende Material gebildet ist. i Kalziumsulfat, das ein weiteres in den vorgenannten US-Pa- j tentschriften als Bindermaterial geeignetes Material er- j wähnt ist, leidet ebenfalls unter dem Verlust der Binder- j festigkeit. Weiterhin ist im US-Bureau of Pines Technical j Paper 625, Seite 3> veröffentlicht 1941, in einem Artikel ._} von Kelly, Southard und Anderson berichtet, daß bei Tempera- 1 türen von 900 bis 1200⁰C, was vom Umgebungsdruck abhängt, ! sich Kalziumsulfat zersetzt, um Kalziumoxyd und SO, zu I bilden. Da die Lichtbogentemperatur des- den Strom unterbrechenden Lichtbogertf von Sicherungen des Kage-ttensicherungstyps mit Strombegrenzung bekanntlich in der Gegend von 20 000⁰K liegt und die Temperatur des den Lichtbogeneinschnürenden Mediums, das den Lichtbogen umgibt, in der Größenordnung von einigen tausend Grad C liegt, ist es klar, daß alle Binder, die in den vorgenannten US-Patentschrif- ! ten als geeignet für Kassettensicherungen beschrieben sind, ■ nicht die. Kriterien der erfindungsgemäß verwendeten Binder erfüllen, da sie ihre Bindecharakteristiken bei der Temperatur des stromführenden Lichtbogens während des Sicherungsbetriebes verlieren.

In diesem Zusammenhang sei jedoch noch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die bekannten Binder nicht dazu verwendet werden, die elektrischen Eigenschaften der Sicherung zu verbessern, sondern um als ein Konsolidierer oder Erstarrer der Matrix zu wirken, um bei dem Fertigungsverfahren die Ausbildung einer Ummantelung zu unterstützen_s die darüber

- 39 -409831/0722

auszubilden ist. Dies unterscheidet sich von dem Zweck der erfindungsgemäßen Binder, wonach der Binder dazu verwendet wird, die Partikelchen des den Lichtbogen einschnürenden Mediums immobil zu machen. Diese Immobilität ist insbesondere bei HochspannungsSicherungen wesentlich, wo der intensive Druck, der durch den stark eingeschnürten Lichtbogen erzeugt wird, die Tendenz besitzt die Partikelchen des ' lichtbogeneinschnürenden Mediums zu bewegen bzw. zu verschieben und Löcher zu bilden, wodurch der Bogenspannungsgradient verkleinert wird. Derartige Probleme sind bei den bekannten Sicherungen nicht vorhanden, da diese im wesentlichen Niederspannungssicherungen sind, in denen die Lichtbogendrucke wesentlich kleiner sind als die Lichtbogendrucke, die bei Hochspannungssicherungen gefunden werden. Aber gerade auf diese Hochspannungssi-

d.ie

cherungen bezieht sichYHauptanwendbarkeit der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren 2 und 3 ist eine spezielle Ausführungsform einer erfindungsgemäßen strombegrenzenden Sicherung dargestellt, das eine patronenförmige Konfiguration- mit einer Vielzahl schmelzbarer Elemente in Parallelschaltung verwendet, die von einer gebundenen Feststoffmasse aus Siliciumdioxydsand umgeben sind. Figur 2 ist eine vertikale Ansicht, in der einige Teile weggebrochen sind, und Figur 3 ist ein horizontaler Schnitt entlang der Linien 3-3 in Figur 2. Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Sicherung ist eine 700 Ampere Motor-Starter-Sicherung, die für eine maximale Nennspannung von 5 kV ausgelegt ist. Sie wird als eine Zusatzsicherung verwendet, die nur bei

- Ho -409831/0722

- no - .

einem im wesentlichen vollständigen Kurzschluß funktionieren soll, aber kurzlebige transiente Ströme bis zu 200% des maximalen Nennstromes, aushalten soll, ohne zu schmelzen. Dies ist typisch für Zusatz- bzw. Reservesicherungen, da andere schmelzbare Elemente oder Schalter innerhalb der Schaltungsanordnung dafür ausgelegt sind, bei mittleren überbelastungen zu unterbrechen, aber nicht in der Lage sind, einen vollen Fehlerstrom eines vollständigen Kurzschlusses oder eines im wesentlichen vollständigen Kurzschlusses abzufangen, ohne zerstört zu werden. In Figur 2 umfaßt die Sicherung 10 ein Paar einzelner isolierender Sicherungspatronen 11 und 12, die durch ein Paar massiver Sammelverbindungsstücke 13 und 14 an ihren gegenüberliegenden Enden verbunden sind. Jede der Sicherungen 11 und 12 weist eine isolierende Patrone 15 auf, die beispielsxveise aus einem Epoxy- oder Phenolharz, Fiberglas oder einem Keramikstoff hergestellt sein kann. Sie sind etwa 45 cm lang und haben einen Außendurchmesser von etwa 8 cm. Ihre Wanddicke kann etwa 1,5 mm (1/16 Zoll) betragen und ihre Struktur ist vorzugsweise eine Epoxy- Fiberglaskonstruktion. Innerhalb der Patrone 15 sind zwei umgekehrte ausgekehlte leitfähige Becher aus mit Silber plattiertem Kupfer von etwa 3 mm (1/8 Zoll) in die Patrone mit etwa acht Schenkeln eingesetzt, die nach außen ragen und an einer leitenden Endkappe 17 befestigt sind, die ihrerseits mit der Sammelverbindung 14 verbunden ist. Zwischen und in der Mitte zu den Zylindern 16. ist ein unregelmäßiger Isolierkern 18 angeordnet, der beispielsweise die Form eines geriffelten Zylinders aufweisen kann und der der Struktur physikalische und mechanische Stabilität verleiht. Ein derartiger Isolator

- 41 409831/0722

kann beispielsweise,aus einem Keramikmaterial aufgebaut sein. Zwischen den geriffelten Zylindern Ib verlaufen zahlreiche schmelzbare Elemente 19, die durch schlitzförmige öffnungen in den Zylindern hindurchführen und elektrisch miteinander verbunden sind. Dies kann beispielsweise durch Punktschweißen an deren Außenseite geschehen, um einen hervorragenden elekt-rischen Kontakt zu bilden. Wie in Figur 3 dargestellt ist, sind die schmelzbaren Elemente im wesentlichen mit gleichen Abstand zueinander und zwischen dem Isolierkern 18 einerseits und der Innenwand des Isolierzylinders 15 andererseits angeordnet. Es sind zweiundzwanzig derartige schmelzbare Elemente vorgesehen, die jeweils eine Dicke von 0,1 mm (0,004 Zoll) und eine Breite von 7 mm (0,277 Zoll) besitzen und die jeweils 30 Löcher mit einem Durchmesser von 4,75 mm (0,188 Zoll) im Abstand von 12,7 mm (1/2 Zoll) auf ihrer Länge enthalten, die etwa 38 cm beträgt. Auf diese Weise werden zahlreiche verengte Flächen geschaffen für ein gleichzeitiges Schmelzen beim Betrieb der Sicherung. Jede Patrone wird zusammengebaut und es wird ein 3 mm (1/8 Zoll) Rohrzapfen in die Endwand von jedem geriffelten Teil 16 geschraubt und ein.Feststoff hoher Reinheit, der im wesentlichen aus Siliciumdioxyd mit einer Teilchengröße entsprechend einer lichten Siebmasehenweite von 0,15 mm (40 mesh) besteht, in die obere öffnung gegossen, während der Zylinder in einer vertikalen Lage gehalten wird und die untere öffnung mit einem Zapfen verschlossen ist. Während des Giessens wird der Zylinder für etwa 15 Minuten mechanisch geschüttelt. Diese Vibartion erleichtert eine Vergrößerung

der abnehmbaren Siliciumüioxydnienge um etwa

- 42 409831/0722

In Abhängigkeit von der Zeit und

der Intensität können Erhöhungen von 10 bis 25% erreicht werden und diese sind zufriedenstellend. Nach dem Füllen und Schütteln, um eine verdichtete Masse zu bilden, wird die verdichtete Masse mit einer 35 Gew.-% kolloidalen Suspension von suspendiertem Siliciumdioxyd in Wasser gefüllt. Ein geeignetes kolloidales Siliciumdioxyd ist von der Firma Nalco Chemical Company, Metal Industries Division, Chicago, Illinois 60717, erhältlich und ist als .NALCOAG 1O34APH3 bezeichnet. Es enthält etwa 33$ Siliciumdioxyd, 67% Wasser, 0% Alkohol und weniger als 0,005% Natriumoxyd. Nach dem Füllen mit dem kolloidalen Siliciumdioxyd wird der untere Zapfen entfernt und der überschüssige Binder kann ablaufen, während das Siliciumdioxyd zurückgehalten wird. Durch die verdichtete -Patrone wird Luft bei einem Druck von etwa 2 Atmosphären für etwa 15 Minuten durchgeleitet, und die Patrone wird in einen Ofen eingebracht und für 3 Stunden auf 70°C erwärmt, um-den größten Teil des Wassers auszutreiben. Die Trocknung wird dann vervollständigt, indem die Ofentemperatur auf 150⁰C erhöht und für etwa 10 Stunden auf dieser Temperatur gehalten wird. Es sind aber auch andere Zeiträume von 1 bis 12 Stunden zufriedenstellend und längere Zeiträume können eine verbesserte Trockenheiteigenschaft. ergeben. Nach dem Erhitzen werden die Zapfstellen verschlossen und der Aufbau der Patronensicherung ist im wesentlichen abgeschlossen. Dann werden zwei Patronen mit Endkappen 17 zwischen Sammelleitern 13 und 14 verschweißt, um für eine parallele Anordnung aus zwei Patronen zu sorgen, die eine Gesamtzahl von 44 sehmelz-

- 43 409831/0722

baren Elementen umfaßt. Die Länge jedes schmelzbaren Elementes beträgt etwa 38 cm (15 Zoll).

Figur 4 ist eine schematische Kurvendarstellung der Spannung und des Stromes über der Zeit von 2 identisch aufgebauten strombegrenzenden Sicherungen,die die Vorteile der erfxndungsgemäßen Sicherung darstellt. In Figur 4 stellt die Kurve A einen überstrom im Versuch dar, der durch die Sicherungen fließt. Er ist im wesentlichen ein simulierter vollständiger Kurzschlußstrom, der von dem Wert Null zur Zeit T=O steil ansteigt und den "angebotenen Strom" darstellt. Beide untersuchten Sicherungen waren 10 cm (8 Zoll) lang und hatten eine Patronendurchmesser von 2,5 cm (1 Zoll) und verwendeten ein einzelnes Silberband mit einer Dicke von 0,075 mm (0,003 Zoll) und einer Breite von 0,478 mm (0,188 Zoll). Jedes Band enthielt l6 Löcher mit einem Durchmesser von 3,18 mm (0,125 Zoll). Diese Sicherungen waren beide für einen stationären Strom von 10 Ampere bei 5000 Volt ausgelegt. Die Kurven B bzw. C stellen die Spannung und den Strom nach dem Schmelzen einer erfxndungsgemäßen Schmelzsicherung dar, die einen mit kollidalem Siliciumdioxyd verbundenen Silxciumdioxydsand verwenden. Die Kurven D und E stellen auf entsprechende Weise Strom und Spannung von einer bekannten Schmelzsicherung dar, die verdichteten nicht-verbundenen Silxciumdioxydsand verwendet. Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, wird in beiden Fällen der Fehlerstrom zur Zeit t =

gezündet und beide Sicherungen schmelzen zur Zeit t., die 0,003 Sekunden gegenüber t beträgt. Zu dieser Zeit ist

- 44 409831/0722

die Spannung über beiden Sicherungen Null und der Strom beträgt etwa 1100 Ampere. Aus einem Vergleich der Kurven B und D ist ersichtlich, daß die Kurve B, d.h. die Spannungskurve für die erfindungsgemäße Sicherung, viel schneller ansteigt und eine viel höhere Spitzenspannung erreicht als die Kurve D, die die Spannungseigenschaften der bekannten Sicherung darstellt. Dieser schnelle Spannungsanstieg, der über der erfindungsgemäßen Schmelzsicherung entwickelt wird, führt zu einem unmittelbaren und zunehmenden Abfall des Stromes durch die erfindungsgemäße Sicherung bis zur Stromunterbrechung zu einer Zeit t_?, die 0,01 Sekunden nach dem Zünden des Fehlerstromes liegt. Die Kurve E gibt andererseits an, daß bei der bekannten Sicherung aufgrund des langsamen Spannungsanstieges und des relativ kleinen Wertes der entwickelten Spitzenspannung der Strom durch die Sicherung von dem Schmelzen progressiv auf einen höheren Wert anwächst, bevor der Strom abfällt und zu Null wird, was im wesentlichen zur gleichen Zeit geschieht wie bei der erfindungsgemäßen Sicherung, d.h. zur Zeit tp, die 0,01 Sekunden nach der Zufuhr des Fehlerstromes liegt. Somit zeigt Figur 4 grafisch, daß ein durch erfindungsgemäße Schmelzsicherungen geschütztes Gerät gegenüber hohen Strömen viel besser geschützt ist. Die Energiemenge,., die nach dem Schmelzen der Sicherung durch das zugeordnete Gerät^ fließen kann, wird durch die Größe I T dargestellt, die durch das Integral des Quadrates des Stromes I als Funktion der Zeit von t bis t„ erhalten wird,

2 t ' 2 °

d.h. IT =: /' ² I dt. Es wird deshalb auf einfache Weise deutlich, daß eine sehr wesentliche Energiemenge, die durch

- 45 409831/072 2

die Differenzen der Werte der Kurven C und D herleitbar ist, bei Schaltungsanordnungen mit bekannten Sicherungen abgeführt wird, aber nicht bei Sehaltungsanordnungen, die mit erfindungsgemäßen Sicherungen ausgerüstet sind. Die Kurven gemäß Figur 4 sollen zwar die Art des Vorteiles der Strom- und SpannungsCharakteristiken zeigen, die mit erfindungsgemäßen Sicherungen gegenüber bekannten Sicherungen erhalten werden können, aber die Kurven gemäß Figur 4 stellen nur einen gesteuerten Testsatz dar und sind in keiner Weise ein Maß für den größten Vorteil bei den Spannungs- und Stromcharakteristiken, der mit der vorliegenden Erfindung· erhalten werden kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß auch noch andere Füllmaterialien als Oxyde und Nitride der angegebenen Metalle verwendet werden können. Andere geeignete Füllstoffe können beispielsweise genau so gut gewisse Boride und Karbide enthalten.

- 46 -

409831/0722

Claims (15)

1. Strombegrenzende Schmelzsicherung mit einer elektrisch isolierenden Patrone, einem Paar elektrisch leitender Klemmen an gegenüberliegenden Enden der Patrone, einen Schmelzelement in der Patrone, das mit den Klemmen in elektrischen Kontakt steht, und einer Füllung aus verdichtetem Feststoffmaterial mit hohem elektrischen spezifischen Widerstand und hoher dielektrischer Festigkeit in der Patrone, das das Sehmelzelement umgibt und eine poröse Umhüllung bildet, d a d u*r c h gekennzeichnet , daß wenigstens derjenige Teil des verdichteten Feststoffmaterials, der das schmelzbare Element unmittelbar umgibt, durch einen zugesetzten Binder zu einem festen selbsttragenden anhaftenden Körper verbunden ist, wobei der Binder in ausreichender Menge vorhanden ist, um im wesentlichen die gesamte Oberfläche von jedem Partikelchen des Feststoff materials zu überziehen, aber nicht ausreicht, um die Porosität des Peststoffmaterials wesentlich zu ber einträchtigen, und der Binder eine anorganische Sub- . stanz mit einem elektrischen spezifischen Widerstand ist,die die elektrischen Widerstandseigenschaften des verdichteten Feststoffmaterials bei Temperaturen bis hinauf zur Temperatur des Peststoffmaterials während des Bestehens eines Lichtbogens nach dem Schmelzen des schmelzbaren Elementes nicht verschlechtert und .die ■ ihre Bindeeigenschaften bei diesen Temperaturen beibehält.

   - 47 -409831/0722
2. 2. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Feststoffmate rial künstlich dicht gepackt ist, derart, daß seine Dichte gegenüber der Dichte einer durch Schwerkraft gefüllten Masse um wenigstens 10/S erhöht ist.
3. 3. Schmelzsicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Verdichtung durch Vibration hervorgerufen ist.
4. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feststoffmaterial aus der aus den Oxyden und Nitriden von Silicium, Magnesium, Aluminium, Beryllium, Kalzium und Strontium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
5. 5. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder eine kolloidale Suspension in einer verdampfbaren Flüssigkeit ist.
6. 6. Schmelzsicherung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß der suspendierte Binder in dem Kolloid etwa 10 bis 50 Gew. -% des Kolloids beträgt.

   - 48 -409831 /0722
7. 7. Schmelzsicherung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Binder ein Material ist j das aus der aus den Oxyden und Nitriden von Silicium,, Magnesium» Aluminium_a Beryllium, Kalzium und Strontium bestehendenGruppe ausgewählt ist.
8. 8. Schmelzsicherung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet ₉ daß der Binder kolloidales Siliciumdioxyd ist.
9. 9. Schmelzsicherung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet , daß das Peststoffmaterial Siliciumdioxydsand ist.
10. 10. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet., daß das Peststoffmaterial Siliciumdioxydsand und der Binder kolloidales Siliciumdioxyd ist.
11. 11. .Schmelzsicherung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet daß die Nennspannung wenigstens 1000 Volt beträgt und die Patrone eine minimale Querschnittsausdehnung von etwa 2,5 cm aufweist.

    - 49 -409831/0722
12. 12. Schmelzsicherung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichne t , daß eine Vielzahl schmelzbarer Elemente zwischen den Klemmen verbunden sind und einzeln von dem gebundenen Peststoffmaterial umgeben sind.
13. 13· Schmelzsicherung nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet , daß zahlreiche Patronen elektrisch parallel geschaltet sind.
14. 14. Schmelzsicherung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser der Zylinder der Patronen gleich ist.
15. 15. Schmelzsicherung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Durchmesser der Sicherungspatrone in dem Bereich von etwa 2,5 bis 10 cm liegt.

    409831/0722

    Leerseite