DE3033473C2

DE3033473C2 - Sicherheitsschaltung mit einer Schmelzsicherung

Info

Publication number: DE3033473C2
Application number: DE19803033473
Authority: DE
Inventors: Reinhard Ing.(grad.) 4972 Löhne Finke
Original assignee: Schoppe & Faeser 4950 Minden De GmbH
Current assignee: Schoppe & Faeser 4950 Minden De GmbH
Priority date: 1980-09-05
Filing date: 1980-09-05
Publication date: 1985-07-11
Also published as: DE3033473A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherheitsschaltung mit einer Schmelzsicherung, die eine zu schützende Schaltungsanordnung von einer Fehlerspannungsquelle abtrennt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine 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.

Aus der zum Stand der Technik zählenden, aber nachveröffetithchten DE-OS 29 !7 256 ist eine Sicherheitsschaltung bekannt, die eine /u schützende Schaltungsanordnung von einer Fehlerspannungsquelle abtrennt, die im Störungsfall mit dem Eingang der Sicherheitsschaltung verbunden ist und deren Spannung größer als die höchste betriebsmäßig auftretende Spannung der zu schützenden Schaltungsanordnung ist. Zwischen den Eingang und den Ausgang der Sicherheitsschaltung ist die Reihenschaltung einer Schmelzsicherurtg und eines zur Strombegrenzung dienenden Widerstandes geschaltet. Parallel zu dem Ausgang der Sicherheitsschaltung ist eine bipolare Diodenschaltung, die aus zwei gegeneinander geschalteten Dioden bes.eht, als Begrenzerdiode geschaltet, wobei die Dioden ein gemeinsames Tragblech besitzen. Auf diesem Tragblech sitzt ein im Normalfall geöffnter Thermoschalter, der bei Erwärmung des Tragblechs auf mehr als 100⁰C die Diodenschaltur.g und damit den Ausgang der Sicherheitsschaltung kurzschließt. D*e Diodenschaltung begrenzt im Störungsfall zunächst die Ausgangsspannung der Sicherheitsschaltung auf einen für die zu schützende Schaltungsanordnung ungefährlichen Wert Bei zu starker Erwärmung der Diodenschaltung schließt der Thermoschalter die Diodenschaltung kurz. Damit erhöht sich

l- der über die Schmelzsicherung fließende Strom auf einen Wert, der die Schmelzsicherung zum Ansprechen bringt. Qualitative Aussagen zur Bemessung des strombegrenzenden Widerstandes, der in Reihe zu der Schmelzsicherung geschaltet ist, sind in der DE-OS 29 17 256 nicht enthalten.

In den Deutschen Normen DIN 57 820 sind die allgemeinen Anforderungen an Geräteschutzsicherungen (G-Sicherungen) behandelt. Abschnitt 93 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 ei wartenden Ströme zwischen dem kleinen Prüfstrom und dem Nennaussrhaltvermögen nach den mitgeltenden Normen abschalten. Die Prüfung des Nennausschaltvermögens erfolgt mit Wechselstrom und wird sowohl bei Nennausschaltvermögen als auch bei 5-, 10-, 50- und 25Ofachem Nennstrom (jedoch nicht über das Nennausschaltvermögen hinaus) durchgeführt. Der Leistungsfaktor des Prüfstromkreises muß zwisehen 0,7 und 0,8 liegen. Eine Vergrößerung der Induktivität des Stromkreises verringert das Ausschaltvermögen der Sicherung. Das Ausschaitvermögen w^;rd auch durch den Einschaltaugenblick beeinflußt. Bei Gleichspannung ist das Ausschaitvermögen der Sicherung niedriger als bei Wechselspannung gleicher Größe. Liegt in dem Gleichstromkreis eine Induktivität, so verringert sich das Ausschaltvermögen der Sicherung noch weiter. Je größer die Induktivität ist, desto niedriger wird das Ausschaltvermögen.

Anhand der F i g. 1 und 2a bis 2c werden im folgenden anhand eines Gleichstromkreises der Abschaltvorgang einer Schmelzsicherung erläutert. Die Fig. 1 zeigt die Reihenschaltung einer Gleichspannungsquelle 1 mit dem Innenwiderstanden R, = 0. einer Induktivität 2, einer Schmelzsicherung 3 sowie eines Schalters 4. Der über die Sicherung fließende Strom ist mit /, bezeichnet: mit Uc;, U/_ und u_t sind die Spannung der Gleichspannungsquelle 1, der Induktivität 2 bzw. der Schmelzsicherung 3 bezeichnet. Die F i g. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf des über die Sicherung 3 fließenden Stromes /, während der Schmelz- und der Löschphase. Wird der Schalter 4 in F i g. 1 zum Zeitpunkt r₀ geschlossen, so steigt der Strom /, zunächst linear an, da die Sicherung 3 während der Schmelzphase als Kurzschluß wirkt. Die Steilheit des Stromanstiegs ergibt sich aus der Spannung Uc

und der Induktivität L nach der Beziehung — . Die

Li

Schmelzphase ist beendet, wenn das Schmelzintegral ?t_s erreicht ist. Das Schmelzintegral ist durch den Aufbau der Sicherung bestimmt. Es wird von dem Hersteller angegeben; läßt sich jedoch auch aus der Strom-Zeit-Kennlinie der Sicherung errechnen. Im Zeitpunkt f| sei das Schmelzintegral der Sicherung erreicht.

Der über die Sicherung fließende Strom i_s hat seinen Maximalwert Id erreicht, und die Schmelzzeit t_s ergibt sich zu ts = t\ — ta. 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 veringert er sich hier, bis er im Zeitpunkt ti 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 Uc der Spannungsquelle und aus der Induktivität L zu . Durch die Wahl einer Sicherung mit

hoher Bogenspannung Ubo läßt sich die Löschphase verkürzen und damit die beim Abschalten entstehende Löscharbjit verringern. Die F i g. 2b zeigt die Spannung Ul über der Induktivität 2. Während der Schmelzphase (zwischen /₀ und ii) ist u_L=U_G und während der Löschnhase (zwischen Λ und ti) ist ui_ = Uq- Ur₀. Die F i g. 2c zeigt die Spannung u_s über der Sicherung 3. Während der Schmelzphase (zwischen fo und ii) ist U₅ = O und während der Löschphase (zwischen t\ und .'2) ist u_s= UBo- Nach dem Ablauf der Löschphase liegt an der Sicherung die Spannung Uc der Gleichspannungsquelle 1.

Die F i g. 2a bis 2c stellen einen idealisierten Verlauf des Stromes i₅, der Spannung u_L sowie der Spannung u_s dar, wobei der ohmsche Widerstand der Induktivität 2 und der Sicherung 3 zu Null angenommen worden ist. Bei Berücksichtigung der ohmschen Widerstände von Spannungsquelle 1, Induktivität 2 und Sicherung 3 ergeben sich günstigere Werte für das Ausschaltvermögen der Sicherung.

Bei der bekannten Sicherheitsschaltung darf der maximale Kurzschlußstrom im Fehlerfall bei einer Wechselspannungsquelle 1500 A betragen, bei einer Gleichspannungsquelle dagegen nur 750 A.

Der Erfini'jng 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsge näß 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 Ausschalt vermögen einer Schmelzsicherung sich durch einen spannungsabhängigen Widerstand erhöben läßt, der nacl. dem Ende der Schmelzphase der Schmelzsicherung den durch die Induktivität erzwungenen S;rom übernimmt. Dies ist dann der Fall, wenn nach dem Enoe der Schmelzphase ein Lichtbogen in der Sicherung nicht gezündet werden kann, weil die Spannung des im Störungsfali zu der Schmelzsicherung parallel geschalteten spannungsabhängigen Widerstandes kleiner ist als die Bogenspannung der Schmelzsicherung.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Sicherheitsschaltung nach dem Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen anhand eines in der F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläuert.

Die F i g. 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. parallel zum Ausgang der Sicherheitsschaltung 8, ist eine Transzorbdiode 15 mit einem Thermo-Kurzschließer 16 angeordnet.

Die Sicherheitsschaltung 8 schützt die Schaltung 9 vor Fehlerspannungen, die im Störungsfall auf den Meßumformer 5 oder auf die von dem Meßumformer 5 zu der Sicherheitsschaltung 8 führenden Leitungen aufgeschaltet sind. In der Fig. 3 ist eine Fehlerspannungsquelle 17, zu der eine Induktivität IS in Reihe liegt, parallel zu dem Meßumformer 5 eingestellt. Für die folgenden Erläuterungen wird davon ausgegangen, daß die Versorgungsspannung für den Meßumformerstromkreis 24 V beträgt, die Fehlerspannung jedoch bis zu S30 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 ausgewählt, daß sie die Spannung am Ausgang der Sicherheitsschaitung 8 auf einen Wert begrenzt, der für die zu schützende Schaltung 9 ungefährlich ist. Dieser Wert wird für das obige Beispiel mit 47 V angesetzt

Owohl 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 Ausgan-'sspannung der Sicherheitsschaltung 8 auf 47 V. Für die folgenden Erläuterungen wird davon ausgegangen, daß sich die Transzorbdiode derart aufgeheizt hat, daß der Thermo-Kurzschließer 16 angesprochen hat. Der Stromkreis bestehend aus der Fehlerspannung:quelle 17, der Induktivität 18, der Sicherung 13 und dem Kurzschluß /wischen den Anschlußklemmen 10 und 11 entspricht jetzt dem Stromkreis nach Fig. 1. Während der Schmelzphase der Sicherung steigt der über die Sicherung fließende Strom linear an und erreicht zum Ende der Schmelzphase seinen maximalen Wert. Mit dem Beginn der L.öschphase (entsprechend dem Zeitpunkt ii if. den F i g. 2a bis 2c) wird der bisher hochohmige spannnungsabiiängige Widerstand 14 wirksam. Der von der Induktivität 18 erzwungene Strom fließt parallel zu der Sicherung 13 und dem Kurzschluß zwischen den Anschlußklemmen 10 und 11 über den spannungsabhängigen Widerstand 14. Der spannungsabhängige Widerstand 14 wird nie- 'erohmig, und entsprechend seiner Spannungs/Strom-Kennlinie stellt sich über dem spannungsabhängigen Widerstand 14 die zu dem Von der Induktivität IS erzwungenen Strom zugehörige Spannung ein. Der spannungsabhängige Widerstand 14 ist so gewählt, daß bei dem größten von der Induktivität 18 erzwungenen Strom die an Hern 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. Es gelten jetzt hinsichtlich des Ausschaltvermögens der Schmelzsicherung ähnlich günstige Gesichtspunkte wie bei einem Gleichstromkreis, in dem nur ohmsche Widerstände sind. Eine Verringerung des höchstzulässigen Kurzschlußstromes in Abhängigkeit von der Stromkreisinduktivität ist nun nicht mehr erforderlich.

Da der gesamte von der Induktivität 18 erzwungene Strom während der Löschphase über den spannungsabhängigen Widerstand 14 fließt, ist dieser leistungsmäßig entsprechend zu dimensionieren.

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 Begrenzungsspannung der Fehlerspannungsquelle entgegengeschaltet ist.

Der Widerstand 12 dient zur Begrenzung des Kurzschlußstromes des Fehlerstromkreises auf einen Wert, der das Nennausschaltvermögen der Schmelzsicherung 13 nicht übersteigt.

Als spannungsabhängiger Widerstand 14 v/ird vorzugsweise ein Metalloxid-Varistor verwendet, der eine steilere Spannungs/Strom-Kennlinie als ein Siliziumkarbid-Varistor aufweist.

Obwohl grundsätzlich bei Wechselstrom wegen der Nulldurchgänge von Strom und Spannung die Löschbp dingungen für eine Schmelzsicherung günstiger sind als bei Gleichstrom. · önnen 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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Claims

Patentansprüche:

1. Sicherheitsschaltung mit einer Schmelzsicherung, die eine zu schützende Schaltungsanordnung von einer Fehlerspannungsquelle abtrennt, die im Störungsfall mit dem Eingang der Sicherheitsschaltung verbunden ist und deren Spannung größer als die höchste betriebsmäßig auftretende Spannung der zu schützenden Schaltungsanordnung ist, mit einer parallel zu dem Ausgang der Sicherheitsschaltung geschalteten Transzorbdiode, die im Störungsfall die Ausgangsspannung zunächst auf einen für die zu schützende Schaltungsanordnung ungefährlichen Wert begrenzt und die mit einem Thermo-Kurzschließer versehen ist, der bei Überschreiten der maximalen Verlustleistung der Transzorbdiode den Ausgang der Sicherheitsschaltung kurzschließt, d a durch gekennzeichnet, daß parallel au dem Eingang tier Sicherheitsschaltung (8) ein spannungsabhängiger Widerstand (14) geschaltet ist, der nach dem Ende der Schmelzphase der Schmelzsicherung (13) den von einer Induktivität (18) des Fehlerstromkreises erzwungenen Strom übernimmt, wozu der spannungsabhängige Widerstand (14) so dimensioniert ist, daß bei dem größten von der Induktivität (18) erzwungenen Strom die an dem spannungsabhängigen Widerstand (14) abfallende Spannung kleiner als die Bogenspannung der Schmelzsicherung (13) ist.

2. Sichchcitsschaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand (14) ein Metalloxid-Varistor ist.

3. Sicherheitsschaltung nac.i Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den spannungsabhängigen Widerstand (14) und die Transzorbdiode (15) in Reihe zu der Schmelzsicherung (13) ein Widerstand (12) geschaltet ist. der so bemessen ist. daß der Kurzschlußstrom des Fehlerstromkreises das Nennausschaltvermögen der Schmelzsicherung (13) nicht übersteigt.