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Die Erfindung betrifft elektrische Strom-Begrenzungssicherungen.
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Strom-Begrenzungssicherungen, die ein schmelzbares Silberelement aufweisen,
das in ein aus Kieselerde- bzw. Quarzsand bestehendes Füllmittel zur Lichtbogenunterdrückung
eingetaucht ist, werden in der elektrischen Industrie in weit verbreitetem Maße
verwendet. Solche überstromvorrichtungen hängen bezüglich ihrer Strombegrenzungswirkung
von der Erzeugung einer relativ hohen Bogenspannung ab, die durch ein schnelles
Aufbrechen des schmelzbaren Elementes in miteinander in Reihe liegende kleine metallische
Körperchen und kleine Lichtbogen erzeugt wird. Das Schmelzen des Leiters setzt sich
solange fort, bis ein Bogen über die gesamte Länge des schmelzbaren Elementes erzeugt
ist. Die Bogen-Spitzenspannung existiert nur für eine sehr kurze Zeit und sobald
ein Bogen über die gesamte Länge ausgebildet ist, fällt die Bogenspannung auf einen
niedrigeren Wert ab.
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Frühere Strombegrenzungs-Sicherungselemente bestanden aus einem Silberdraht,
der ein kleines Oberflächen-zu-Massen-Verhältnis und somit schlechte Wärmeübertragungseigenschaften
und ein großes Verhältnis zwischen kritischem Strom und Laststrom hatte. Diese schlechten
Wärmeübertragungseigenschaften hatten einen niedrigen Dauerzustand-Ampere-Nennwert
zur Folge. Das schmelzbare Element schmilzt in einem adiabatischen Prozess im Bereich
des kritischen Stroms und der relativ kleine Widerstandswert und die relativ große
Metallmasse eines solchen Silberdrahtes hatten einen großen kritischen Strom zur
Folge. Das Drahtelement schmilzt gleichförmig und gibt somit Veranlassung für eine
hohe Spannungsspitze, die schnell auf einen Bogen-Spannungs-Gradienten von weniger
als 100 V/cm abfällt. Diese Eigenschafen einer schlechten Wärmeübertragung und von
überspannungsspitzen von Draht-Sicherungselementen führten zur Entwicklung von Schmelzelementen
in Form von gelochten bzw. perforierten
Bändern bzw. Streifen, die
ein größeres Oberflächen/Volumen-Verhältnis als ein Drahtelement besitzen, wodurch
die Dauerzustand-Wärmeübertragung und daher auch der Last-Nennwert der Sicherung
steigt. Zusätzlich heizen sich die verringerten Querschnittsflächen des perforierten
Bandelementes bei hohen Fehlströmen schnell auf den Schmelzpunkt auf und erzeugen
eine feste Zahl von in Serie liegenden kleinen Bogen, die die Größe der in diesem
Augenblick erzeugten Bogenspannungsspitze begrenzen.
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Obwohl perforierte Streifenelemente eine beträchtliche Verbesserung
darstellen, wurden zwei Parameter, die für gute Strombegrenzungseigenschaften von
grundlegender Bedeutung sind, nicht wesentlich verbessert, nämlich hohe Bogenspannungs-Gradienten
> 200 V/cm und kleine Verhältnisse zwischen kritischem Strom und Laststrom. Der
Bogenspannungsgradient kommutiert den Bogenstrom auf Null und definiert die Durchlaßeneryie
für einen vorgegebenen voraussichtlichen Fehl-bzw. überstrom. Das Verhältnis des
kritischen Stroms zum Laststrom legt den Scheitel- bzw. Spitzenstrom beim Schmelzen
fest, der seinerseits die Größe der Sicherung bestimmt.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Strombegrenzungs-Sicherung
zu schaffen, die im Vergleich zu dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen
eine erhöhte Dauerzustand-Wärmeübertragung aufweist. Ein weiteres Ziel der Erfindung
ist es, eine derartige verbesserte Strombegrenzungs-Sicherung zu schaffen, die im
Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen ein relativ niedriges Verhältnis des kritischen
Stroms zum Laststrom und einen relativ großen Bogenspannungs-Gradienten aufweist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Strombegrenzungssicherung
zu schaffen, die ein schmelzbares Element mit einem im Vergleich zu herkömmlichen
Vorrichtungen
wesentlich vergrößerten Oberflächen/Volumen-Verhältnis
aufweist, um auf diese Weise die Wärmeübertragung zwischen dem schmelzbaren Element
und dem Bogen-Unterdrückungsmaterial zu erhöhen und somit den Dauerzustand-Strom-Nennwert
der Sicherung zu vergrößern. Ein weiteres Ziel besteht in der Schaffung einer verbesserten
Strombegrenzungssicherung, bei der das schmelzbare Element selbststehend bzw. selbsttragend
ist und Strompfadlängen ergibt, die wesentlich größer als die axiale Länge der Sicherung
sind, um auf diese Weise die Bogen spannung zu erhöhen und die Bogenunterbrechung
zu verbessern. Ein weiteres Ziel besteht darin, eine verbesserte Strombegrenzungssicherung
zu schaffen, bei der das schmelzbare Element auf einfache Weise aufgebaut und in
großen Stückzahlen hergestellt werden kann.
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Eine Strombegrenzungssicherung gemäß der Erfindung besitzt ein rohrförmiges
Gehäuse aus elektrisch isolierendem Material, zwei leitende Anschlußelemente, die
an den Enden des Gehäuses angeordnet sind und dieses verschließen, ein körniges
Bogen-Abschnürungs- bzw. Bogen-Unterdrückungs-Füllmaterial innerhalb des Gehäuses
und ein rohrförmiges schmelzbares Element in dem Gehäuse, das die beiden Anschlußelemente
elektrisch miteinander verbindet und in das Bogen-Unterdrückungs-Füllmaterial eingebettet
ist, wobei es ein hohes Oberflächen/ Volumen-Verhältnis aufweist und die Wärmeübertragung
zwischen dem schmelzbaren Element und dem Füllmaterial vergrößert, um auf diese
Weise das Verhältnis des kritischen Stroms zum Laststrom im Vergleich zu dem Stand
der Technik entsprechenden Sicherungen zu vermindern. Das rohrförmige schmelzbare
Element ist vorzugsweise selbsttragend und hohl. Weiterhin besitzt das selbsttragende
rohrförmige schmelzbare Element vorzugsweise eine Vielzahl von axial beabstandeten,
länglichen Perforationen, die vorzugsweise eine im wesentlichen rautenförmige Gestalt
besitzen, und in einer Ausführungsform wird das schmelzbare Element aus einem Blech
bzw.
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aus einer Lage eines gestreckten schmelzbaren Metall so gebildet,
daß es eine Vielzahl von im wesentlichen rautenförmigen Teilen in reihenförmiger
Anordnung aufweist, von dennen jeder den Strom in elektrisch parallele Strompfade
aufteilt, die eine Länge besitzen, die größer als die axiale Länge des rautenförmigen
Teils ist, wobei diese Pfade räumlich bzw. körperlich voneinander getrennt sind,
um eine Vereinigung der Bogen miteinander zu verhindern. Die vergrößerte Strompfadlänge
führt zu einer vergrößerten Bogenspannung.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 einen schematischen Aufriß einer Strombegrenzungssicherung
gemäß der Erfindung, wobei ein Teil des Gehäuses weggebrochen ist, um den inneren
Aufbau zu zeigen, Fig. 2 eine Lage bzw. ein Blech aus einem leitenden, gestreckten
Metall zur Bildung eines Sicherungselementes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 3 eine schematische, vergrößerte, perspektivische Ansicht des
Teils 3-3 aus Fig. 2, Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines Sicherungselementes
gemäß dem Stand der Technik, Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen
Sicherungselementes, das aus dem in Fig. 2 gezeigten Blech gebildet wurde,
Fiy.
6 einen schematischen Aufriß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei
ein Teil des Gehäuses wegyehrochen ist, um den inneren Aufbau zu zeigen, Fig. 7
eine Lage bzw. ein Blech aus schmelzbarem Material zur Bildung des Sicherungselementes
der Ausführungsform nach Fig. 6, und Fig. 8 eine schematiscile, perspektivische
Teilansicht des Sicherungselementes der Ausführungsform nach Fig. 6.
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Eine Strombegrenzungssicherung 10 gemäß der Erfindung besitzt ein
hohles rohrförmiges Gehäuse 11 aus isolierendem Material. Elektrisch leitende Anschlußelemente
oder Endkappen 12 und 13 werden von den Enden des Gehäuses 11 getragen. Die Endkappen
12 und 13 schließen das Gehäuse ab und betchen jeweils aus einem topf- bzw. becherförmigen
Teil, der ein radial außen mit einem Flansch versehenes Ende 14 umfaßt, das dazu
dient, ein problemloses Aufsetzen der EndkalJpe auf das Ende des Gehäuses 11 zu
ermöglichen.
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Die Kappen 12 und 13 umfassen einen radial nach innen gerichteten
Teil 16, der sich über die Endkante des Gehäuses 11 erstreckt und mit Gewindeöffnungen
versehen ist, die dazu dienen, Schrauben 17 aufzunehmen. Schrauben 17 oder andere
geeignete Befestigungsmittel dienen dazu, eine Endabschlußplatte 18 an der Endkappe
12 zu befestigen. Die Endkappe 13 ist in der gleichen Weise aufgebaut.
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Die Sicherung 10 wird durch ein selbststehendes bzw. selbsttragendes
schmelzbares Element 36 gekennzeichnet, das als zylindrischer oder rohrförmiger
Körper ausgebildet ist, der in dem Gehäuse 11 in axialer Richtung angeordnet ist
und die Endkappen 12 und 13 in leitender Weise miteinander verbindet. Das schmelzbare
Element 36 besitzt vorzugsweise
eine Vielzahl von axial beabstandeten,
länglichen Perforationen bzw. Öffnungen, die vorzugsweise eine im wesentlichen rautenförmige
Gestalt besitzen und elektrisch parallele aber körperlich voneinander getrennte
Strompfade bilden, die eine im Vergleich zur Abmessung dieser Perferationen längs
ihrer kurzen Achse erheblich vergrößerte Länge aufweisen.
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Zwei Befestigungshülsen 21 tragen die zylindrischen E.ndbänder 33
des rohrformigen Elementes 36. Die Hülsen 21 sind in öffnungen angeordnet, die in
den Abschlußplatten 18 in axialer Richtung ausgebildet sind und Flansche 22 umfassen,
die dazu dienen,mit den durch die Abschlußplattell 18 um die öffnung herum definierten
bzw. umgrenzten Kantenrändern in Eingriff zu treten.
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Wie in Fig. 2 darqestellt ist ein Blech 31 aus gestrecktem Metall
wie z.B. Silber oder einem anderen leitenden schmelzbaren Material so mit Schlitzen
versehen, daß es einen Gitterteil 32 aufweist, der zwischen einem oberen Randteil
33 und einem unteren Bandteil (nicht dargestellt) angeordnet ist. Der Maschen- bzw.
Gitterteil 32 ist an einer Vielzahl von Stellen 35 mit den oberen und unteren Bandteilen
33 integral verbunden.
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Das Blech 31 kann um eine Spindel bzw. einen Dorn herum rollt werden,
um das zylindrische bzw. rohrförmige halbstarre Sicherungselement 3G zu bilden,
das im allgemeinen rautenförmige, axial beabstandete Perforationen aufweist und
parallele Strompfade mit vergrößerter Länge ergibt, die eine vergrößerte Bogenspannung
beim Schmelzen des schmelzbaren Materials zur Folge haben. Wenn das Element 36 in
dem Gehäuse 11 in axialer Richtung angeordnet ist, dann fließt der "Bruttostrom"
in der allgemeinen Richtung des Pfeils 37 längs der kleinen Achse der rautenförmigen
Perforationen 40, während der tatsäcnliche Strom vom Band 33 in die Vielzahl von
an ihm befestigten "Schenkel" 38, 39
des Gitters 32 hinein und
zum anderen Band (nicht dargestellt) fließt. Die Lange des Strompfades durch die
hintereinanderliegenden Schenkel 38 und 39 ist wesentlich größer als die axiale
Abmessung längs der kleineren Achse der Rauten. Die vielfachen Befestigungsstellen
35 am Band 33 ergeben eine beträchtliche Anzahl von elektrisch parallelen Verbindungen
mit dem schmdzbaren Maschenmaterial.
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Die Maschcn-"Größe" liegt vorzugsweise in der Größenordnung von einem
Zentimeter oder darüber. Weiterhin liegt das größenmäßige Verhältnis zwischen der
Breite w eines gegebenen Schenkels 38, 39 des Gitters zur Diagonalabmessung n, die
über dem Schnittpunkt von zwei Schenkeln 38, 39 des Maschenmaterial gemessen wird,
vorzugsweise in der Größenordnung von 0,6 bis 1,0, um eingeschnürte Verbindungsstellen
zwischen den Schenkeln 38 und 39 für eine Steuerung der Bogenspannung zu ergeben.
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Das rohrförmige schmelzbare Element 36 ist in ein körniges oder pulverförmiges
Bogen-Einschnürungs- bzw. Bogen-Unterdrückungsmaterial (nicht dargestellt) wie z.B.
reaktionsträge Quarzsandteilchen eingetaucht, die das Gehäuse 11 ausfüllen. Alternativ
hierzu kann das Bogenunterdrückungsmaterial eine blisc}lung aus reaktionsträgen
anorganischen, energieabsorbierenden Teilchen wie z.B. Quarzsand, und Gas entwickelnden
polyneren llarzteilchen z.B. aus Polypropylen oder einem Azetal-Material umfassen,
die Gas abgeben, wenn sie durch den Bogen erhitzt werden.
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Das dünnwandige rohrförmige Schmelement 36 hat ein vergrößertes Oberflächen/Volumen-Verhältnis
im Vergleich zu dem Stand der Technik entsprechenden Draht- oder Bandelementen.
Dies vergrößert die Wärmeleitfähigkeit und die Abstrahlung auf das den Lichtbogen
bzw. -funken unterdrückende
Material und vergrößert somit die Dauerzustand-Wärmeübertragung
zwischen dem Schmelzelement und dem Bogenunterdrückungs-Füllmaterial und verringert
somit das Verhältnis des kritischen Stroms zum Laststrom Lür die Sicherung. Das
dünnwandige rohrförmige Sicherungselement 36 hat auch einen dünnen jedoch breiten
Lichtbogenkanal in dem den Lichtbogen unterdrückenden Material zur Folge, was die
Lichtbogenspannung und den Lichtbogengradienten erhöht.
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Bei der Ausführungsform mit einem Sand-Harz-Bogenunterdrückungs-Füllmaterial
geben die Harztellchen Gas unter der Hitzeeinwirkung des Lichtbogens bzw. -funkens
ab, was zu einer Abkühlung des Lichtbogens und somit zu einer Reduzierung der Durchlaßenergie
beiträgt und auch einen Gasstrom innerhalb des dünnen jedoch breiten Lichtbogenkanals
erzeugt, der zu einem Wärmeabgabeverlust in dem Lichtbogenkanal führt, der dazu
beiträgt, die Bogenspannung zu erhöhen.
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Das gestreckte Metallgitter 32 des rohrförmigen Elements 36 führt
zu einer Vielzahl von schmelzbaren Teilen 36a, die zueinander in Reihe angeordnet
sind. Innerhalb eines jeden Teiles 36a dienen die Schenkel 38 und 39 dazu, den Strom
in elektrisch parallele jedoch körperlich getrennte Pfade mit vergrößerter Länge
aufzuteilen. Die Teile 36a sind weiterhin seriell in einer axialen Richtung angeordnet,
wobei die parallelen Pfade innerhalb eines jeden Teils durch die Schenkel 38 und
39 dazu dienen, die Länge der Bogen zu vergrößern, die gebildet werden, wenn die
Sicherung arbeitet, und somit die Bogenspannung vergrößern.
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Die erfindungsgemäße Ausführungsform der Fig. 6 bis 8 ist durch ein
frei stehendes bzw. frei tragendes Sicherungselement 19 gekennzeichnet, das als
zylindrischer oder rohrförmiger Körper ausgebildet ist. Zwei Befestigungshülsen
21
tragen die zylindrischen Enden 19a des Elementes 19. Das rohrförmige Sicherungselement
19 besitzt eine Vielzahl von axial beabstandeten, länglichen Perforationen 20, 25,
die vorzugsweise im allgemeinen rautenförmig sind, wobei axial aufeinanderfolgende
Perforationen umfangsmäßig voeinander beabstandet sind (180°, wie in den Fig. 6
bis 8 dargestellt) und somit parallele bogenförmige Strompfade mit vergrößerter
länge bilden, die wechselweise in axiale Richtung auf diametral gegenüberliegenden
Seiten des rohrförmigen Element:es 19 miteinander werbunden sind, und auf diese
Weise weiterhin die Strompfadlänge vergrößern und somit eine höhere Bogenspannung
entwickeln.
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Das Sicherungselement 19 kann aus einem leitfähigen Blech lizw. einer
lei lfähigen Tage 27 eines schmelbaren Materials dadurch gebildet werden, daß man
diese Lage um einen entfernbaren Dorn herumwickelt, um eine zylindrische oder rohrförmige
halbstarre Anordnung zu schaffen, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist. Das rohrförmige
Element 19 besitzt eine Vielzahl. von axial beabstandeten, im wesentlichen rautenförmigen
Perforationen, die sich im wesentlichen um den gesamten rrrrfany herum jedoch um
weniger als 3600 erstrecken, und axial aufeinanderfolgende, im wesentlichen raqutenförmige
Perforationen si.nd umfangsmäßig versetzt bzw. verschoben angeordnet (1 800, wie
in den Fiy. 6 bis 8 dargestellt) und bilden auf diese Weise eine Reihe von im wesentlichen
rautenförmigen Teilen 1 9b, die serienmäßiy in axialer Richtung durch die Verbindungsteile
19c miteinander verbunden sind. Jeder im wesentlichen rautenförmige Teil 19b umgreift
eine im wesentlichen rautenförmige Perforation, oberen Hauptachse in einer Ebene
senkrecht zur Achse des rohrförmigen Elementes 19 liegt, und deren kleine Achse
sich in e einer Richtung parallel zur Achse des rohrförmigen Elementes 19 erstreckt,
wodurch vier stromführende SChenkel 26 gebildet werden, die mit den Kanten
einer
Raute zusammenfqallen und die in Scheitel 28 konvergieren, die längs der Seitenkanten
des flachen Bleches 27 angeordnet sind. Wenn das Blech 27 in die rohrförmige Form
gebracht wird, dann sind die Scheitel 2S, einander benachbart und die i vier Schenkel
2C eines jeden Teiles 1 9b bilden ein Paar von axial beabstandeten ringförmigen
Teilen, die parallele bogenförmige Strompfade 23 und 24 erzeugen, die eine Länge
besitzen, die größer ist als die axiale Länge des Teiles 19b und die räumlich bzw.
körperlich voneinander getrennt sind, um eine Vereinigung der Bogen zu verhindern,
die beim Schmeizen gebildet werden.
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Die Scheitel 28 in einem jeden rautenförmigen Teil 19b verbinden das
Paar von ringförmigen Teilen in einer axialen Richtung längs der einen Seite des
rohrförmigen Elementes 1 9, während die Verbindungsteile 1 9c aufeinanderfolgende
Teile 19b in einer axialen Richtung auf der diametral gegenüberliegenden Seite des
rohrförmigen Elementes 19 verbinden und somit weiter die Strompfadlänge vergrößern.
Als Folge ist die Länge des in dem Lichtbogen unterdrückenden Sand beim Schmelzen
des Elementes 19 ausgebildeten Lichtbogens wesentlich größer als die axiale Länge
des Elementes 1 9, wodurch die Bogenspannung vergrößert und die Unterbrechungsfähigkeit
der Sicherung verbessert wird.
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Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren der Sicherungselemente 19 besteht
darin, daß das leitfähige Blech bzw. die leitfähig Lage 27 des schmelzbaren Materials
um eine Spindel bzw. einen Dorn herumgewickelt wird, um ein an beiden Enden offenes,
zylindrisches Sicherungselement 19 zu erzeugen.
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Die Lage 27 ist so ausgebildet, daß sie in einer aufrechten Stellung
sowohl obere und untere Kanten 27a und 27b als auch Seitenkanten 27c umfaßt. Die
körperlichen Grenzen der Seitenkanten werden durch eine Reihe von Scheiteln 28
festgelegt,
die durch die zur Seite und auch außen hin konvergierenden Schenkel 26 definiert
werden, die die im wesentlichen rantenförmigen leitenden Teile 19b der Lage 27 bilden.