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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitsschaltung mit
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einer Schmelzsicherung, die eine zu schützende Schaltungsanordnun
von einer Fehlerspannungsquelle abtrennt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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imine derartige Sicherheitsschaltung ist aus der Druckschrift 30/66-1803-0
"Analogtrennwandler AW 03" (2.80) der Schoppe & Faeser GmbH bekannt. In dieser
Druckschrift ist in dem Abschnitt "Festigkeit gegen Fehlspannungen" darauf hingewiesen,
daß die sich im Fehlerfall einstellende Stromstärke der Fehlerspannungsquelle nicht
größer sein darf als das Ausschaltvermögen der verwendeten Schmelzsicherung.
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In den Deutschen Normen DIN 57 820 sind die allgemeinen Anforderungen
an Geräteschutzsicherungen (G-Sicherungen) behandelt.
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Abschnitt 9.3 von DIN 57 820 betrifft das Ausschaltvermögen einer
derartigen Sicherung. Die Sicherungen müssen ordnungsgemäß und ohne die Umgebung
zu gefährden unterbrechen, wenn sie die zu erwartenden Ströme zwischen dem kleinen
Prüfstrom und dem Nennausschaltvermögen nach den mitgeitenden Normen abschalten.
Die Prüfung des Nennausschaltvermögens erfolgt mit Wechselstrom und wird sowohl
bei Nennausschaltvermögen als auch bei 5-, 10-, 50- und 250fachem Nennstrom (jedoch
nicht über das Nennausschaltvermögen hinaus) durchgeführt. Der Leistungsfaktor des
Prüfstromkreises muß zwischen 0,7 und 0,8 liegen. Eine Ver-Ç ir3erun(3 der lnduktivität
des Stromkreises verringert das Ausschaltvermögen der Sicherung. Das Ausschaltvermögen
wird
auch durch den Einschaltaugenblick beeinflußt. Bei Gleichspannung
ist das Ausschaltvermögen der Sicherung niedriger als bei Wechselspannung gleicher
Größe. Liegt in dem Gleichstromkreis eine Induktivität, so verringert sich das Ausschaltvermögen
der Sicher-ung noch weiter. Je grüner die Indukrivitäl ist, desto niedriger wird
das Ausschaltvermögen.
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Anhand der Figuren 1 und 2a bis 2c werden im folgenden anhand eines
Gleichstromkreises der Abschaltvorgang einer Schmelzsicherung erläutert. Die Figurl
zeigt die Reihenschaltung einer Gleichspannungsquelle 1 mit dem Innenwiderstanden
R. = 0, einer Induktivität 2, einer Schmelzsicherung 3 sowie eines Schalters 4.
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Der über die Sicherung fließende Strom ist mit i bezeichnet; 5 mit
UG, uL und u sind die Spannung der Gleichspannungsquelle 1, 5 der Induktivität 2
bzw. der Schmelzsicherung 3 bezeichnet. Die Figur 2a zeigt den zeitlichen Verlauf
des über die Sicherung 3 fließenden Stromes is während der Schmelz- und der Löschphase.
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Wird der Schalter 4 in Figur 1 zum Zeitpunkt t geschlossen, so steigt
der Strom i5 zunächst linear an, da die Sicherung 3 während der Schmelzphase als
Kurzschluß wirkt. Die Steilheit des Stromanstiegs ergibt sich aus der Spannung UG
und der Induktivität L nach der Beziehung UG/L. Die Schmelzphase ist beendet, wenn
das Schmelzintegral i2t erreicht ist. Das 5 Schmelzintegral ist durch den Aufbau
der Sicherung bestimmt.
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Es wird von dem Hersteller angegeben; läß sich jedoch auch aus der
Strom-Zeit-Kennlinie der Sicherung errechnen. Im Zeitpunkt tl sei das Schmelzintegral
der Sicherung erreicht.
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Der über die Sicherung fließende Strom i hat seinen Maximal-5 wert
1D erreicht, und die Schmeizzeit t ergibt sich zu 5 s = t1 - t0. Der Schmelzleiter
der Sicherung ist durchgeschmolzen, und es beginnt die Löschphase. In dem jetzt
entstehenden Lichtbogen fließt der von der Induktivität erzwungene Strom weiter.
Ausgehend von dem Wert ID verringert er sich hier, bis er im Zeitpunkt t2 den Wert
Null erreicht. Während der Löschphase stellt sich über der Sicherung eine näherungsweise
konstante Spannung, die Bogenspannung UBo, ein. Diese Spannung ist durch den Aufbau
der Sicherung bestimmt. Der Betrag der Steilheit des Stromabfalls ergibt sich aus
der Spannung über der Sicherung vermindert um die Spannung UG der Spannungsquelle
und aus der Induktivität L
Durch die Wahl einer Sicherung mit hoher Bogenspannung UBo läßt sich die Löschphase
verkürzen und damit die beim Abschalten entstehende Löscharbeit verringern. Die
Figur 2b zeigt die Spannung uL über der Induktivität 2. Während der Schmelzphase
(zwischen t und t1) ist uL = UG und während der Löschphase (zwischen t1 und t2)
ist uL = UG - UBo. Die Figur 2c zeigt die Spannung us über der Sicherung 3. Während
der Schmelzphase (zwischen t0 und t1) ist u = 0 und während der Löschphase (zwischen
tl und t2) ist 5 u = UBO. Nach dem Ablauf der Löschphase liegt an der Sicherung
5 die Spannung UG der Gleichspannungsquelle 1.
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Die Figuren 2a bis 2c stellen einen idealisierten Verlauf des Stromes
is, der Spannung uL sowie der Spannung u dar, wobei 5 der ohmsche Widerstand der
Induktivität 2 und der Sicherung 3
zu Null angenommen worden ist.
Bei Berücksichtigung der ohmschen Widerstsände von Spannungsquelle 1, Induktivität
2 und Sicherung 3 ergeben sich günstigere Werte für das Ausschaltvermögen der Sicherung.
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Bei der bekannten Sicherheitsschaltung darf der maximale Kurzschlußstrom
im Fehlerfall bei einer Wechsel spannungsquelle 1500 A betragen, bei einer Gleichspannungsquelle
dagegen nur 750 A.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsschaltung
der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine Verringerung des höchstzulässigen
Kurzschlußstromes in Abhängigkeit von der Höhe der Induktivität im Fehlerstromkreis
nicht erforderlich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst. Der Erfindung liegt die neue Erkenntnis zugrunde,
daß das durch eine im Stromkreis liegende Induktivität verringerte Ausschaltvermögen
einer Schmelzsicherung sich durch einen spannungsabhängigen Widerstand erhöhen läßt,
der nach dem Ende der Schmelzphase der Schmelzsicherung den durch die Induktivität
erzwungenen Strom übernimmt.
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Dies ist dann der Fall, wenn nach dem Ende der Schmelzphase ein Lichtbogen
in der Sicherung nicht gezündet werden kann, weil die Spannung des im Störungsfall
zu der Schmelzsicherung parallel geschalteten spannungsabhängigen Widerstandes kleiner
ist als die Bogenspannung der Schmelzsicherung.
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Vorteilhatte Weiterbildungen und Ausgestaltungestaltungen der Sicherheitsschaltung
nach dem Anspruch 1. sind in den Anspruches ? und 3 gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten und
Vorteilen anhand eines in der Figur @ dargestellten Ausführungsbeispiels näber erläutert.
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Die Figur 3 zeigt das Schaltbild einer Sicherheitsschaltung nach der
Erfindung in einem Meßumformerstromkreis. Ein Meßumformer 5 ist mit dem Eingang
(Anschlußklemmen 6 und 7) einer Sicherheitsschaltung 8 verbunden. Eine Schaltung
9 zur Auswertung des Ausgangssignals des Meßumformers 5 ist mit dem Ausgang (Anschlußklemmen
10 und 11) der Sicherheitsschaltung 8 verbunden. Zwischen den Anschlußklemmen 6
und 10 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes 12 und einer Schmelzsicherung
13 angeordnet. Zwischen den Anschlußklemmen 6 und 7, d.h. parallel zum Eingang der
Sicherheitsschaltung 8, ist ein spannungsabhängiger Widerstand 14 angeordnet. Zwischen
den Anschlußklemmen 10 und 11, d. h.
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parallel zum Ausgang der Sicherheitsschaltung 8, ist eine Transzorbdiode
15 mit einem Thermo-Kurzschließer 16 angeordnet.
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Die sicherheitsschaltung 8 schützt die Schaltung 9 vor Fehlerspannungen,
die im Störungsfall 1 auf den Meßumformer 5 oder auf die von dem Meßumformer 5 zu
der Sicherheitsschaltung 8 führenden beitungen auSgeschaltet sind. In der Figur
3 ist eine Fehlerspannungsquelle 17, zu der eine Induktivität 18 in Reihe liegt,
parallel
zu dem Meßumformer 5 dargestellt. Für die folgenden Erläuterungen wird davon ausgegangen,
daß die Versorgungsspannung für den Meßumformerstromkreis 24 V betrigt, die Fehlerspannung
jedoch bis zu 630 V bei Wechselspannung und bis zu 360 V bei Gleichspannung betragen
kann. Bei der Induktivität 18 kann es sich z.B. um leitungsinduktivitäten oder um
die Drossel eines Schaltnetzteils handeln. Die Transzorbdiode 15 ist so ausgewäh
daß sie die Spannung am Ausgang der Sicherheitsschaltung 8 aut einen Wert begrenzt,
der für die zu schützende Schaltung 9 ungefährlich ist. Dieser Wert wird für das
obige Beispiel mit 47 V angesetzt.
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Obwohl es sich bei der Fehlerspannung sowohl um eine Wechselspannung
als auch um eine Gleichspannung handeln kann, wird im folgenden von einer Fehlergleichspannung
ausgegangen. Weiterhin wird zunächst davon ausgegangen, daß der Widerstand 12 den
Wert Null aufweist. Tritt nun eine Fehlerspannung auf, so begrenzt zunächst die
Transzorbdiode 15 die Ausgangsspannung der Sicherheitsschaitung 8 auf 47 V. Für
die folgenden Erläuterungen wird davon ausgegangen, daß sich die Transzorbdiode
derart aufgeheizt hat, daß der Thermo-Kurzschiießer 16 anqesprochen hat. Der Stromkreis
bestehend aus der Fehlerspannungsquelle 17, der Induktivität 18, der Sicherung 13
und dem Kurzschluß zwischen den Anschlußklemmen 10 und 11 entspricht jetzt dem Stromkreis
nach Figur 1. Während der Schmelzphase der Sicherung steigt der iber die Sicherung
fließende Strom linear an und erreicht ztiiu Ende der Schmelzphase seinen maximalen
Wert. Mit dem Beginn
der Löschphase (entsprechend dem Zeitpunkt
tl in den Figuren 2a bis 2c) wird der bisher hochohmige spannungsabhängige Widerstand
14 wirksam. Der von der Induttiviteit 18 erzwungene Strom fließt parallel zu der
Sicherung 13 und dem Kurzschluß zwischen den Anschlußklemmen 10 und 11 über den
spannungsabhängigen Widerstand 14. Der spannungsbabhägige Widerstand 14 wird niederohmig,
und entsprechend seiner Spannungs/Strom-Kennlinie stellt sich über dem spannungsabhängiqen
Widerstand 14 die zu dem von der Induktivität 18 erzwungenen Strom zugehörige Spannung
ein Der spannungsabhängige Widerstand 14 ist so gewählt, daß bei dem größten von
der Indutkvität 18 erzwungenen Strom die an dem spannungsabhängigen Widerstand 14
abfallende Spannung kleiner als die Bogenspannung der Schmelzsicherung 13 ist. Durch
diese Maßnahme wird ein Zünden des Lichtbogens und somit ein Stromfluß in der Schmelzsicherung
13 während der Löschphase verhindert.
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L's gelten jetzt hinsichtlich des Ausschaltvermögens der Schmelzsicherung
ähnlich günstige Gesichtspunkte wie bei einem Gleichstromkreis, in dem nur ohmsche
Widerstände sind. Eine Verringerung des höchstzulässigen Kurzschlußstr-omes in Abhängigkeit
von der Stromkreisinduktivität ist nun nicht mehr erforderlich.
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Da der gesamte von der Induktivität 18 erzwungene Strom während dei
Löschphase über den spannungsabhängigen Widerstand 14 fließt, is dieser leistungsmäßig
entsprechend zu dimensionieren.
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Solange im Störungsfall der Thermo-Kurzschließer 16 der Transzorbdiode
16 noch nicht angesprochen hat, steigt der über die
Sicherung 13
fließende Strom mit geringerer Steigung als im Kurzschlußfall, da die an der Transzorbdiode
15 anstehende Begrenz.ungsspannung der Fehlerspannungsquelle entegegengeschaltet
ist.
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Der Widerstand 12 dient zur Begrenzung des Kurzschluf3stromes des
Fehlerstromkreises auf einen Wert, der das Nennausschaltvermögen der Schmelzsicherung
13 nicht übersteigt.
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Als spannungsabhängiger Widerstand 14 wird vorzugsweise ein Metalloxid-Varistor
verwendet, der eine steilere Spannungs/Strom-Kennlinie als ein Siliziumkarbid-Varistor
aufweist.
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Obwohl grundsätzlich bei Wechselstrom wegen der Nulldurchgänge von
Strom und Spannung die Löschbedingungen für eine Schmelzsicherung günstiger sind
als bei Gleichstrom, können bei kurzen Löschzeiten, z.B. in der Größenordnung von
Millisekunden oder kürzer bei einer Frequenz 50 Hz, die gleichen Probleme wie bei
Gleichstrom auftreten. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung wirken
sich daher auch in Stromkreisen, bei denen Fehlerwechselspannungen auftreten können,
aus.