DE3042830A1 - Verfahren zum unterbrechen eines elektrischen stromes in einem hochspannungskreis und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

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KEARNEY-NATIONAL, INC., ATLANTA, GEORGIA 3o329 (V.St.A.)

Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes in einem Hochspannungskreis und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Stromes in einem Hochspannungskreis und

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V/is

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eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, eine Sicherung einzusetzen, die dazu in der Lage ist, die geschätzten Höchstströme wie auch die geschätzten, niedrigsten Ströme zu unterbrechen, und die in Reihe mit einer auf schwache Ströme reagierenden Löschrohrsicherung liegt, die Ströme unterhalb des geschätzten Minimalstroms unterbrechen kann.

Ein weiteres, bekanntes System, das bei Tieftemperaturen arbeitet bedient sich einer Sicherung mit aus Silber bestehenden, schmelzbaren Elementen, wobei der sogenannte Metcalf oder M-Effekt ausgenützt wird. Bei dieser Art einer Sicherung ist ein aus Silber bestehendes Band durch eine geringe Menge von Zinn oder einer Zinnlegierung an einer Stelle des Bandes ergänzt, wodurch eine eutektische Legierung mit dem Silber gebildet wird, wodurch an dieser Stelle des Bandes sein Schmelzen gefördert wird, wenn das Band eine Temperatur von ca. 23o C erreicht. Ohne Berücksichtigung des M-Effekts schmilzt Silber bei einer Temperatur von etwa 96o C. Eine derart hohe Temperatur ohne Berücksichtigung des eutektischen Effekts führen zur Beschädigung der Sicherung und erschweren ihr Ansprechen. Dort aber, wo der M-Effekt angewendet wird, findet das Schmelzen des Silberbandes an der betreffenden Stelle statt, und der resultierende Lichtbogen und der dabei weiterfließende Strom erhöhen die

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Temperatur des Bandes durch weitere etwa 7oo° C. Darüberhinaus können Ströme, die nicht zum Schmelzen des Bandes führen, eine Veränderung an der M-Stelle bewirken, wodurch eine bleibende Veränderung in der Schmelzcharakteristik der Sicherung hervorgerufen wird.

In einem anderen, eutektischen Design wird ein paralleles Hilfselement verwendet, das der Auslösung von zwei weiteren Unterbrechungen in dem Schmelzelement nach dem Schmelzen an der M-Stelle führt. Diese bekannte Vorrichtung begrenzt die Schmelzpunkte auf drei Stellen, was nicht erwünscht ist, und führt zu einem komplizierten Aufbau.

Bei einer anderen, bekannten Vorrichtung ist ein Kern mit Schmelzelementen bewickelt und besteht aus einem Gas enthaltenden Material. Dort, wo diese Vorrichtung verwendet wird, muß das Gehäuse gelüftet werden. Wenn das Gehäuse gelüftet wird, findet die Stromunterbrechung nicht isoliert statt und kann zu einem Fehler in der Sicherung oder zur Beschädigung anderer Geräte führen.

Bei einer weiteren Sicherung wird ein Silberelement in Reihe mit einem Zinnelement eingesetzt. Letzteres ist in ein Isolierrohr eingeschlossen und liegt in einem Füllelement,

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damit eine Unterbrechung bei niedrigem Strom möglich ist. Diese Vorrichtung ist nur für niedrige Ströme einsetzbar und ist daher nicht universell einsetzbar.

Eine weitere, bekannte Vorrichtung umfaßt eine thermische Isolation für einen Silberdraht, der mit einem Silberband in Serie liegt. Die Hitzekonzentration fördert einen frühen Schmelzvorgang des Silberdrahts. Allerdings erhöht diese Ausführung die Kosten der Sicherung.

Bei einer anderen, bekannten Sicherung wird eine Goldlegierung in einem den Lichtbogen löschenden Rohr verwendet und liegt in Serie mit einem Silberelement, so daß eine Trennung bei niedrigen Strömen stattfinden kann.

Die oben genannten, bekannten Vorrichtungen weisen die Nachteile auf, daß besonders bei niedrigem Strom Schwierigkeiten auftreten. Die Notwendigkeit der Trennung bei

niedrigem Strom hat bei den bekannten Gegenständen in der Regel zu einem jeweils komplexen Aufbau der Sicherung geführt, die Größen solcher Sicherungen sowie die Kostenbelasturj bei der Herstellung haben zugenommen. Ferner hat die Berücko sichtigung geringer Ströme eine Begrenzung der Trennung bei hohem Strom zur Folge.

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Es ist auch bekannt, Sicherungselemente auf Kerne zu wickeln, aber der Kontakt mit den Schmelzelementen reduziert den Bereich, indem ein Energieaustausch zwischen dem Lichtbogen und dem Füllmaterial stattfinden kann. Da der ünterbrechungsprozeß voraussetzt, daß die Haupt-Lichtbogenenergie auf das Füllmaterial übertragen wird, bewirkt jede Herabsetzung des Bereichs des Kontakts mit dem Füllmaterial einen unerwünschten Nachteil.

Der Kontakt zwischen den Elementen und dem Kern kann zu hohen Temperaturen in dem Kern führen. Keramikmaterialien erleiden eine Herabsetzung ihrer Isolationseigenschaften durch derartige, hohe Temperaturen. Diese Reduzierung der Isolationseigenschaften des Kerns bewirkt eine ungleichmäßige Spannungsverteilung über die Sicherung während des 5 nachfolgenden Lichtbogens.

Unter bestimmten Grenzbedingungen hinsichtlich des durchfließenden Stroms kann sich ein Temperaturanstieg in den Schmelzelementen ereignen, was zu einer Deformation der Schmelzelemente führt. Nachfolgendes Erhitzen und Abkühlen kann zu inneren Spannungen in den Schmelzelementen führen, da sie im Sandbett liegen. Wenn sich die Elemente bewegen können, kann die Ausbildung von Zugspannungen vermieden werden.

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In auf einem Kern aufgewickelten Elementen ist die Möglichkeit zur Vermeidung von Zugspannungen sehr eingeschränkt, und auf die auftretenden Zugspannungen zurückgehende mechanische Fehler können sich ereignen und sogar zum Brechen der Schmelzelemente besonders dort führen, wo eine verminderte Qu<_-;. Schnitts abmessung vorhanden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Stroms in einem Hochspannungskreis sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wobei auf die Verwendung von mehr als einer Sicherung verzichtet werden soll.

Die Aufgabe wird durch die in den Kennzeichen der Ansprüche 1 und 1o aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung weist gegenüber dem Bekannten die Vorteile auf, daß nur eine einzige Sicherung zur Absicherung des entsprechenden Kreises notwendig ist und daher eine entsprechende Kostensenkung möglich ist. Durch die gekapselte Ausführung der Sicherung sind Beschädigungen anderer Bauteile oder Geräte ausgeschlossen.

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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sicherung,

Figur 2 einen Längsschnitt durch die Sicherung

gemäß Figur 1,

Figur 3 in vergrößertem Maßstab schematisch Einzelheiten des Aufbaus der Sicherung gemäß Figur 2.

Ein rohrförmiges Gehäuse 1 (Figur 1) ist an seinen beiden, gegenüberliegenden Seiten mit Endkappen 2, 3 aus elektrisch leitendem Material abgeschlossen. Außenkappen 4 und 5 sind über die Endkappen 2, 3 gestülpt und mit einem Preßsitz mit ihnen verbunden, und die Endkappen 2,3 sind auf dem rohrförmigen Gehäuse 1 mittels Zements 6, 7 befestigt. Eine Anschlußhülse 8 und eine Anschlußkappe 9 sind auf den Innenflächen der Endkappen 2, 3 angebracht und in zentral angeordneten Öffnungen in den Endkappen 2, 3 angeordnet. Der Gehäuseaufbau ist mit Kieselerdesand 1o gefüllt, der aus nahezu kugelförmigen Körnern verschiedener Größe innerhalb gegebener Grenzen besteht. Diese Körner bestehen mindestens zu 99 % aus Kieselerde, und nahezu 98 % der Körner werden

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mit einer Siebgröße 1oo zurückgehalten, während ca. 2 % der Körner mit der Siebgröße 3o erhalten werden. Etwa 3o % der Körner werden mit der Siebgröße 4o gewonnen, während etwa 75 % der Körner mit der Siebgröße 5o gewonnen werden. Die Körner werden als 1o9 G.S.S. bezeichnet.

In dem Gehäuse 1 der Sicherung und in dem Kieselerdesand eingebettet ist eine Anzahl schraubenförmiger Schmelzelemente 11, 12, 13, 14, 15 (Figur 2) angeordnet, deren Enden mit der Anschlußhülse 8 bzw. der Anschlußkappe 9 verbunden sind. Die Bereiche der Schmelzelemente zwischen ihren Enden werden durch den Kieselerdesand 1o gehalten.

Die Schmelzelemente 11 bis 15 sind mit Kerben 16 entlang ihrer gesamten Längserstreckung versehen. Die Schmelzelemente sind bandförmig gestaltet.

Da der Erfindungsgegenstand für Hochspannungskreise über 1ooo Volt Anwendung findet, handelt es sich beim Erfindungsgegenstand um eine Hochspannungssicherung.

Beim Auftreten eines hohen Fehlerstroms schmelzen die Schmelzelemente 11 bis 15 praktisch gleichzeitig an allen Kerben 16, was zur Ausbildung einer Kette von Lichtbogen führt

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Diese Lichtbogen dehnen sich rasch aus und fallen zusammen.

Die Lichtbogenenergie wird in Form von Wärme von dem Kieselerdesand 1o absorbiert. Der Energieaustausch zwischen den Lichtbogen und dem Kieselerdesand hängt auch von der Oberfläche der Sandkörner ab. Je größer die Oberfläche der den Lichtbogen ausgesetzten Sandkörnern ist, um so größer ist der Energieaustausch. Dem Energieaustausch kommt daher auch die Querschnittsform der Schmelzelemente entgegen, die wandförmig gestaltet sind und nicht nur aus einem einzigen Element, sondern aus einer Vielzahl von Elementen bestehen. Der Erfindungsgegenstand ist allerdings auch mit einem einzigen Schmelzelement funktionsfähig.

Die Verwendung einer Vielzahl von parallel gelegter Schmelzelemente in dem Kieselerdesand 1o führt auch zu einer guten Kühlung der Schmelzelemente während des normalen Stromflusses, also ohne Beanspruchung der Sicherung durch überstrom, so daß der Gesamtquerschnitt der Schmelzelemente geringer gehalten werden kann.

Eine Vielzahl von Schmelzelementen ist auch besonders dann von Vorteil, wenn es um die Unterbrechung eines Stroms geht.

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der an sich einen geringen Wert aufweist und nur geringfügig über dem Nennstrom liegt. Hierbei schmilzt ein einziges Schmelzelement an einer Kerbe 16 durch, bevor weitere Schmelzelemente durchbrennen. Hierdurch entsteht eine kurze Unterbrechung in dem SchmeIzelement. Da dieses mit den übrigen SchmelzeLementen parallel liegt, kann sich an der Unterbrechungsstelle kein Anfangslichtbogen ausbilden, und der Strom des ersten Elements wird über die anderen Elemente verteilt. Danach schmilzt ein weiteres Element unter ähnlichen Bedingungen, und sein Strom fließt dann über die verbleibenden Schmelzelemente. Alle Schmelzelemente brennen nacheinander durch, und nach und nach entsteht ein immer höherer Strom, der sich auf die verbleibenden Schmelzelemente aufteilt.

Erst beim Durchbrennen des letzten Schmelzelements der Sicherung beginnt sich ein Lichtbogen auszubilden. Es entsteht nur ein einziger Lichtbogen, da bei den übrigen Schmelzelementen unter den Bedingungen eines niedrigen Stroms keine Lichtbogen entstanden. Ein solcher Lichtbogen beginnt sich in dem Schmelzelement auszubilden, das den besten Strompfad hat, und bei größer werdender Lichtlogenlänge wechselt der Strom zu einem anderen Pfad, der attraktiA ist. Die St romkoitimut ierung unter diesen Bedingungen ist

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ein bekanntes Phänomen, soweit bekannt wurde dies aber bisher nicht fotografisch oder über einen Oszillographen in Verbindung mit Hochspannungssicherungen festgehalten. Die Ausbildung eines Lichtbogens in einem einzigen Schmelzelement erlaubt dessen rasche Ausdehnung, da dieses Schmelzelement über seine gesamte Länge mit seiner Schmelztemperatur beaufschlagt ist. Daher wird ein Lichtbogen in einem einzigen Schmelzelement rasch wieder verlöschen, da ein Durchbrennen nicht nur an einer Kerbe 16 stattfindet, sondern auch an den Stellen zwischen diesen Kerben. Das rasche Abbrennen und das Schmelzen des Schmelzelements und der Ausbildung neuer Lichtbogen ausgehend von einem Anfangslichtbogen führt dazu, daß der Anfangslichtbogen mit anderen Teilen in Verbindung kommt, wodurch eine gleichmäßigere Wärmeableitung von dem Schmelzelement in einiger Entfernung von dem Lichtbogen stattfindet. Diese rasche Zerstörung des Schmelzelements ist dadurch möglich, daß sich seine.Temperatur in der Nähe seines Schmelzpunkts bewegt. Tests haben klar gezeigt, daß Lichtbogen nicht nur auf einen Pfad beschränkt sind, sondern sie sind sehr beweglich und treten mit jedem Punkt des Strompfades in eine Wechselbeziehung. Das Durchschmelzen der Schmelzelemente ist rasch erreicht, und deren gesamte Länge ist dann jeweils abgebrannt. Die verbleibenden Spalte sind ausreichend groß, um

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einem Aufbau der Spannung zu widerstehen, und der relativ geringe Strom ist praktisch unterbrochen.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung bezieht sich auf ein besonderes Material für die Schmelzelemente. Das ausgewählte Material sollte einen niedrigen Schmelzpunkt von 35o° C oder weniger aufweisen, damit eine frühzeitige Unterbrechung bereits geringen Stroms erreichbar ist. Das verwendete Oxid sollte einen hohen Widerstand haben, damit gute dielektrische Werte nach dem Verlöschen des Lichtbogens erzielbar sind.

Während die Erfindung nicht auf die Verwendung eines besonderen Materials für die Schmelzelemente beschränkt ist, haben bei einem Ausführungsbeispiel Tests ergeben, daß Kadmium ein geeignetes Material ist. Die Reinheit von Kadmium soll dabei zwischen 95 % und 99,999 % liegen.

Kadmium hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt und weist auch eine relativ niedrige Verdampfungstemperatur auf (ca. 75o C). Wenn Kadmiumdampf oxidiert und durch das granulierte Füllmaterial, also den Sand bzw. Kieselerdesand, gekühlt wird, dann ergibt dies einen guten Isolator. L er Widerstand von Kadmiumoxid beträgt Io ° Ohm/cm bei 1 ooo Kelvin und aus diesem Grund eignet sich Kadmium

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wegen seiner dielektrischen Eigenschaft nach dem Unterbrechen des Stromkreises gut.

Versuche haben gezeigt, daß Schmelzelemente aus Silber nicht vollständig schmelzen, wenn nur relativ geringe Ströme beteiligt sind, und daß wesentliche Bestandteile der Schmelzelemente nach Verschwinden des Lichtbogens intakt bleiben. Aus diesem und anderen Gründen erfüllt Silber nicht alle Anforderungen, die an das Material bei Hochspannungsanwendung gestellt werden, da ungeschmolzenes Material zu Betriebsstörungen durch einen Wiederaufbau der Spannung führen.

Die Verwendung von Kadmium in Verbindung mit einem geeigneten Design führt zum Durchschmelzen der Kerben und bewirkt eine Anzahl kurzer Lichtbogen, die für das Unterbrechen bei hoher Betriebsspannung notwendig sind. Andererseits im Fall von geringen Strömen werden die Schmelzelemente aus Kadmium im allgemeinen über ihre gesamte Länge verbrannt bzw. geschmolzen, und dementsprechend ist ein Spannungsaufbau über die Sicherung nicht mehr möglich.

Eine Sicherung gemäß der Erfindung eignet sich besonders gut in einem Gerät mit einer Schutzflüssigkeit, wie z.B. Transformatoren, Kondensatoren, Schaltern und ähnlichem.

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Leerseite

Claims (15)

1. Ansprüche

   . ) Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Stroms in einem Hochspannungskreis, gekennzeichnet r^irch die Verfahrensschritte, daß der elektrische Strom durch ein langgestrecktes Schmelzelement (11 - 15) hindurchfließt, so daß die Temperatur des Schmelzelements über seine gesamte Länge bis nahezu auf Schmelztemperatur innerhalb eines bestimmten Zeitraums ansteigt, so daß eine Zerstörung des Schmelzelements und nachfolgende Lichtbogenausbildung an einer Stelle des Schmelzelements stattfindet, wobei Teile von ihm an beiden Enden des Lichtbogens abschmelzen, und sich das Abschmelzen durch Wärmekontakt auf weitere Teile des Schmelzelements fortsetzt, und daß ein fortgesetzter Stromfluß durch das Schmelzelement stattfindet und die Ausbildung weiterer Lichtbogen erfolgt, wodurch sich ein resultierender Luftspalt ergibt, dessen Ausdehnung einer Ausbildung der Wiederkehrspannung verhindert.

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2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zu unterbrechende Strom hinsichtlich seiner Stromstärke geringer ist als die doppelte Stromstärke des durch die Sicherung fließenden Stroms.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannung des Stromkreises größer ist als 1 ooo Volt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Temperatur des Schmelzelements (11 - 15) kleiner als 35o° C ist.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Unterbrechung des Schmelzelements (11 - 15) an einer beliebigen Stelle entlang der Längserstreckung desselben erfolgt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Stellen (Kerben 16) entlang der Längserstreckung des Schmelzelements (11 - 15) vorgesehen ist, damit eine Vielzahl

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   hintereinander sich ausbildender Lichtbogen entstehen kann.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das aus dem Schmelzelement (11 - 15) sich bilde.^Je Oxid einen Innenwiderstand von 1o ° Ohm/cm bei 1 000 ° Kelvin aufweist.
8. 8. Verfahren zum Unterbrechen eines elektrischen Stroms einer bestimmten Stromstärke in einem Hochspannungskreis, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, daß der elektrische Strom durch eine Vielzahl schraubenförmig angeordneter, parallel geschalteter Schmelzelemente (11 - 15) hindurchgeleitet wird, so daß die Temperatur der Schmelzelemente (11 - 15) im wesentlichen über deren gesamte Länge zu einem Wert nahe der Schmelztemperatur innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums ansteigt, so daß eine Zerstörung der Schmelzelemente (11 - 15) zunächst in beliebiger Folge bei allen Schmelzelementen (11 - 15) erfolgt, so daß sich Lichtbogen ausbilden und durch Kommutation in jeden Schmelzelement in progressiv ansteigender Anzahl von Stellen entlang der gesamten Länge eines jeden Schmelzelements erfolgt, so daß die Schmelzelemente (11 - 15)

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   abschmelzen und erneuten Aufbau eines Lichtbogens durch die Wiederkehrspannung verhindern.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Schmelzelemente (11 - 15) aus Kadmium hergestellt sind, und daß die durch die Lichtbogen entstehende Hitze durch im wesentlichen kugelförmige Kieselerdekörner absorbiert wird, in die die Schmelzelemente (11 - 15) eingebettet sind, und daß die Körner eine dielektrische Barriere gegen erneute Ausbildung eines Lichtbogens bilden.
10. 10. Elektrische Sicherung zur Verwendung in Stromkreisen mit mehr als 1 ooo Volt, dadurch gekennzeichnet , daß ein rohrförmiges Gehäuse (1) aus isolierendem Material vorgesehen ist, welches der Wiederkehrspannung nach Unterbrechung des Stromkreises durch die Sicherung widersteht, daß Endkappen (2, 3) an beiden Enden des rohrförmigen Gehäuses (1) zum Verschließen desselben vorgesehen sind, daß das Gehäuse (1) mit Kieselerdesand (1o) gefüllt ist, eine Vielzahl schraubenförmig angeordneter Schmelzelemente (11 - 15) aus Kadmium mit einer Reinheit zwischen 95 % und 99,999 % in den Kieselerdesand (1o) eingebettet ist

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    und von diesem getragen bzw. gehalten wird, wobei die Enden der Schmelzelemente mit den Endkappen (2, 3) in galvanischer Verbindung stehen und eine Vielzahl parallel liegender, leitender Pfade bilden, daß die Schmelzelemente (11 - 15) durch Ströme schmelzen und die Ströme unterbrechen, deren Größenordnung das Mehrfache des Nennstroms durch die Sicherung beträgt, wobei ein hoher Grad von Stromunterbrechung erreichbar ist, und daß die Schmelzelemente (11 - 15) auf eine Temperatur in der Nähe des Schmelzpunkts durch Ströme gebracht werden, deren Höhe etwas oberhalb des Nennstromes durch die Sicherung liegt, daß die Schmelzelemente (11 - 15) in beliebiger Reihenfolge durchschmelzen und in beliebiger Reihenfolge Lichtbogen entlang der Schmelzelemente (11 - 15) durch !Commutation bewirken.
11. 11. Sicherung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet , daß der Kieselerdesand (1o) im wesentlichen kugelförmige Körner beliebiger Größe umfaßt.

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12. 12. Sicherung nach Anspruch 11, dadurch, gekennzeichnet , daß die Körner aus mehr als 99 % Siliciumoxid hergestellt sind.
13. 13. Sicherung nach Anspruch 1 ο, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Schmelzelemente (11 - 15) mit einer Vielzahl entlang ihrer Längserstreckung angeordneter Stellen verminderten Querschnitts versehen ist.
14. 14. Sicherung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die gebildeten und wieder verlöschenden Lichtbogen durch !Commutation in jedem der Schmelzelemente (11 - 15) in einer progressiv ansteigenden Anzahl von Stellen entlang der Längserstreckung eines jeden Schmelzelements (11 - 15) bewirkt werden, bis alle Schmelzelemente (11 - 15) vollständig soweit abgeschmolzen sind, daß sich Luftspalte ausbilden, die der Wiederkehrspannung widerstehen.
15. 15. Sicherung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet , daß die zwischen den Enden der

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    Schmelzelemente (11 - 15) liegenden Teile der

    Schmelzelemente (11 - 15) vollständig durch den

    Kieselerdesand (1o) getragen bzw. von ihm gehalten werden.

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