DE3104742C2 - Starkstrom-Schmelzsicherung - Google Patents

Abstract

Strombegrenzende Sicherungen, bestehend aus einem Schmelzeinsatz, der zusammen mit einer Lichtbogenlöschvorrichtung in ein Isolierrohr eingesetzt ist. Bei einer solchen strombegrenzenden Sicherung soll der Sekundärstrom, der über die Sicherung bei eventuell auftretendem Kurzschluß in der Sicherung fließen kann, verkleinert werden. Es wird vorgeschlagen, daß die Lichtbogenlöschvorrichtung Borsäure enthält (siehe Fig. 2), die einem eventuell entstehenden Lichtbogen durch Dehydrierung und Verdampfung des entstehenden Wassers erhebliche Mengen an Energie nimmt, wodurch es zu keinem Kurzschluß in der Sicherung kommen kann.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Starkstrom-Schmelzsicherung mit einem beidendig durch metallische Kappen geschlossenen, aus Isolierstoff bestehenden Rohr, in dem, beidendig mit den Kappen verbunden, mindestens ein Schmelzeinsatz angeordnet ist, und in dem als Lichtbogenlöschmittel ein Borsäure und mindestens einen weiteren Stoff aufweisendes Füllmittel vorgesehen ist. Derartige Sicherungen werden in Starkstromanlagen verwendet, um bei unzulässig starken Strömen den Stromkreis durch Abschmelzen des Schmelzeinsatzes zu unterbrechen.

Die DD-PS 21 914 geht von derartigen Schmelzsicherungen aus, die als Füllmittel Quarzsand, Korundsand, Magnesia oder Talkum verwenden, um die beim Abschmelzen des Schmelzleiters und gegebenenfalls beim Auftreten eines Lichtbogens frei werdende Wärme aufzunehmen. Weiterhin vorausgesetzt werden Füllmittel, die unter Einwirkung der Lichtbogenwärme Gase abgeben, wie bspw. Marmorsand, Borsäure oder Bariumsulfat, die bei Erwärmung CO2, H2O bzw. SO2 abgeben. Hiervon ist SO2 wegen seiner chemischen Nebenwirkungen unerwünscht, die Löschwirkung von CO2 hat sich als nur gering erwiesen, und das eine hohe Löschwirkung entwickelnde H2O kann durch die beim Kondensieren entwickelte Feuchtigkeit zu Rückzündungen führen. Die DD-PS 21 914 empfiehlt daher die Verwendung eines Füllmittels, das aus zwei oder mehr Stoffen besteht, von denen einer, bspw. Borsäure, beim Abschmelzen der Sicherung Wasser abspaltet und ein anderer das abgespaltene Wasser zu binden vermag. Als nachteilig hat sich hierbei aber erwiesen, daß das gebildete Gas bzw. der Dampf, im begrenzten Raum des als Gehäuse vorgesehenen Rohres gehalten, einen erheblichen Druckanstieg bewirkt, der eine drucksichere und damit starkwandige und aufwendige Ausbildung des Gehäuses der Sicherungen erfordert.

Auch in der DE-OS 22 37 690 werden Füllmittel und deren Eigenschaften behandelt, wobei gasabgebende Stoffe als wirkungsvoll löschend bezeichnet werden, jedoch gerügt wird, daß bei bekannten, die Lichtbogenlöschung unterstützendes Gas abgebenden Füllmitteln ein unzulässiger bzw. schädlicher Überdruck im Gehäuse der Sicherung unvermeidbar ist, selbst wenn das gasabgebende Füllmittel auf den mittleren Längenbereich des Schmelzeinsatzes beschränkt ist und die beiden Endbereiche der Sicherung ein übliches Löschmittel wie bspw. Sand aufweisen. Zur Vermeidung unzulässig hoher Druckspitzen wird daher offenbart- das gasabgebende Füllmittel, bspw. Borsäure, unter außerordentlich hohem Druck auf den Schmelzeinsatz zu diesen umgebenden diskreten Isolierkörpern zu verpressen. Hierdurch sollen zwar im Falle der Bildung eines Lichtbogens beim Durchschmelzen der Sicherung Druckspitzen vermieden werden, das Aufpressen des Füllmittels auf den Schmelzeinsatz unter hohem Druck zu festen Isolierkörpern erweist sich jedoch als außerordentlich aufwendig und damit unvorteilhaft.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, mit geringem Aufwände verläßlich arbeitende, stabile Starkstromsicherungen zu schaffen, die infolge des Einsatzes eines Lichtbogenlöschmittels Lichtbogen vermeiden bzw. schnell zum Erlöschen bringen sowie Rückzündungen vermeiden, wobei ein einfacher, kostengünstiger Aufbau des Sicherungskörpers gewährleistet wird, indem das als Gehäuse dienende Rohr von Druckstößen geschützt mechanisch relativ leicht ausgeführt werden kann und bei der Herstellung der Starkstrom-Schmelzsicherung aufwendige Arbeitsgänge vermieden sind.

Gelöst wird diese Aufgabe, indem das Füllmittel ein Gemisch von Borsäure und Siliziumdioxid ist. Hierdurch wird einerse'ts von der Wärmebindung Gebrauch gemacht, welche beim Freisetzen des Wassers und beim Verdampfen desselben auftritt, andererseits ist durch Begrenzung der eingesetzten Menge der als Lichtbogenlöschmittel verwendeten Borsäure erreicht, daß unerwünschte Druckspitzen ebenso vermieden werden wie durch Kondensation sich möglicherweise bildende Leitpfade. Durch das Unterbinden bzw. die starke Dämpfung der bisher auftretenden Druckspitzen wird die mechanische Belastung des die Starkstrom-Schmelzsicherung als Gehäuse umschließenden Rohres derart gesenkt, daß dessen Herstellung problemlos und billig erfolgen kann, und die Verwendung von Sand bzw. Quarzsand als zweiter und überwiegender Stoff des Füllmittels senkt auch den für das Füllmittel aufzubringenden Aufwand. Insbesondere aber werden aufwendige Herstellungsschritte vermieden, wie bspw. das Füllen mit alternierend abwechselnden Stoffen oder das Umpressen des Schmelzleiters mit Isolierkörpern, bei dem zusätzlich der Schmelzeinsatz gefärdet und das Füllen erschwert werden. Der Einsatz der aufwendigen Borsäure wird zugunsten des billigen Siliziumdioxides stark eingeschränkt, und der Aufbau der Sicherung selbst ist nur geringen Druckstößen anzupassen und damit wesentlich billiger herzustellen als der solcher Schmelzsicherungen, die einen höheren Anteil von Borsäure in Verbindung mit zusätzlich Wasser aufnehmenden Stoffen aufweisen.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt hierbei

F i g. 1 diagrammatisch das Strom-Zeit-Verhalten einer herkömmlichen Starkstrom-Schmelzsicherung beim Auslösen,

F i g. 2 teilweise geschnitten ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 3 ein der F i g. 1 entsprechendes Strom-Zeit-Diagramm der Starkstrom-Schmelzsicherung nach F i g. 2, und

Fig.4 diagrammatisch den bei zwei unterschiedli-

chen Ausführungsbeispielen sich ergebenden Sekundäritrom in Abhängigkeit vom prozentualen Gewichtsanteil der Borsäure vom Füllmittel.

!n F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Starkstrom-Schmelzsicherungen teilweise geschnitten dargestellt Die gezeigte Starkstrom-Schmelzsicherung 10 weist als Gehäuse ein aus Isolierstoff, bspw. mit hitzebeständigem Kunstharz behandeltes Glasfasermaterial, bestehendes Rohr 2 auf, das beidendig durch aufgesetzte, elektrisch leitende Kappen 1 abgeschlossen ist Von den Kappen wird ein faden- bzw* bandförmiges, gegebenenfalls mit Querschnittsverengungen ausgestatteter Schmelzeinsatz 4 gehalten, der aus Silber, einer Silberlegierung oder dergleichen bestehen kann. Um den Schmelzeinsatz 4 herum ist als Füllmittel 3 ein granuläres, Borsäure enthaltendes Gemisch vorgesehen (Orthoborsäure H3BO3). Neben der Borsäure enthält das Füllmittel noch weitere, unter den beim Kurzschluß sich ergebenden Wärmebedingungen stabile Stoffe wie bspw. Siliziumdioxid, Calciumsilikat oder dergleichen.

Wird im Betriebe die Sicherung überlastet, so schmilzt bzw. verdampft der Schmelzeinsatz 4, und über die Unterbrechung kann sich ein diese überbrückender Lichtbogen bilden. Der Lichtbogen wird durch Kühlung gelöscht; hierbei nimmt bspw. das Siliziumdioxid Wärme auf, als wirksames Lichtbogenlöschmittel jedoch erweist sich die Borsäure: Zunächst einmal nimmt die Borsäure zu ihrer eigenen Erhitzung Wärme auf. Bei entsprechend hohen Temperaturen setzt ein Dehydrationsprozeß ein, der einen relativ großen Wärmeanteil ve; braucht, da das abgespaltene Wasser fest an die Kristalle der Borsäure gebunden war. Weitere Energie wird als Verdampfungswärme zur Verdampfung des abgespaltenen Wassers aufgenommen. Bei weiterer Wärmezufuhr schmilzt die dehydrierte Borsäure und nimmt weiterhin die Schmelzwärme auf. Dieser spontane Wärmeentzug bringt etwa auftretende Lichtbogen schnell zum Verlöschen, so daß der über den eigentlichen Abschaltstrom hinaus durch Lichtbogenleitung bewirkte zusätzliche Strom, der sogenannte »Sekundärstrom«, gering bleibt.

Erläutert wird dieses anhand der Diagramme der F i g. 1 und 3. F i g. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Stromes über eine herkömmliche, für 7,2 kV und 50 A ausgelegte Sicherung im Abschaltfalle. Im Zeitpunkt O wird der Strom bis zum Abschmelzen des Schmelzeinsatzes der Sicherung linear gesteigert. Anstelle des ebenso linearen Abfalles entlang der Kurve i\ und ihrer gestrichelten Verlängerung jedoch verläuft der abfallende Strom infolge des zusätzlichen Sekundärstromes entlang der Kurve 4 so daß zunächst einmal die in der Sicherung umgesetzte Energie ansteigt und sowohl deren Temperatur als auch der in ihr bewirkte Druck über die Werte hinaus ansteigen, die bereits bei der Anfangsüberlastung bestanden. Das Gehäuse der Sicherung ist daher besonders stabil auszuführen, um ein Explodieren zu vermeiden, und es besteht die Gefahr, daß die Sicherung den Überlastungsstrom nicht oder zumindest nicht rechtzeitig zu unterbrechen vermag. Hierbei können als Folgeschäden noch die an sich durch die Sicherung zu schützenden elektrischen Anlagen oder Schaltungen gefährdet werden.

Diese Überlegungen zeigen, wie wesentlich es sich erweist, den Sekundärstrom auf vorteilhaft niedrige Werte zu begrenzen.

An sich ist eine vorteilhafte Begrenzung des Sekundärstromes durch die Verwendung von Borsäure als Füllmittel gegeben, des beim Auslösen der Sicherung bewirkten hohen Druckes wegen jedoch ist entweder die Sicherung mechanisch so stabil zu bauen, daß sie unvorteilhaft hohe Herstellungskosten erfordert, oder es ist eine Belüftung vorzusehen, die durch eine Öffnung bewirkt werden kann, die im Ausgangszustand durch einen !eicht schmelzenden Stopfen verschlossen ist Auch hier werden bei der Herstellung zusätzliche, sie verteuernde Maßnahmen erforderlich. Es wurde nun gefunden, daß sich die Borsäure mit herkömmlichen, neutralen Füllmitteln wie Siliziumdioxid, Calciumsilikat oder dergleichen versetzen und damit »verdünnen« läßt, wobei zwar die Menge des im Abschmelzfalle auftretenden Dampfes und damit des entstehenden Druckes erheblich reduzierbar ist, ohne daß jedoch die Löschwirkung wesentlich beeinträchtigt wird. Im Einzelfalle wird man daher dem Füllmittel nur so viele Borsäure zugeben, daß die Sicherung die gewünschten Sekundärstrom-Eigenschaften erhält Schon bei einer relativ geringfügigen Beimischung erhält man die im Diagramm der F i g. 3 veranschaulichten Werte des Sekundärstromes 72, der sich als wesentlich geringer und kürzer und damit günstiger erweist als der mit herkömmlichen Starkstrom-Schmelzsicherungen erhaltene. Als wesentlich aber zeigt sich das Verhalten von Sicherungen mit unterschiedlichen Borsäure-Gehalten des Füllmittels.

Als Beispiel 1 wurden zwei Ausführungen der Starkstrom-Schmebsicherung hergestellt, deren erste, als Sicherung A bezeichnete für 7,2 kV und 10 A ausgelegt ist und nur einen Schmelzeinsatz 4 aufweist, während die Sicherung B für 7,2 kV und 50 A ausgelegt ist Für die Sicherungen A und B werden gleiche Rohre 2 und gleiche Schmelzeinsätze 4 benutzt, wobei die Sicherung A über einen und die Sicherung B über fünf Schmelzeinsätze verfügt Gefüllt wurden diese Sicherungen mit unterschiedliche Zusammensetzungen zeigenden Füllmitteln, wie dies im Diagramm der Fig.4 aufgezeigt ist. Die Ordinate des Diagramms gibt den mit den Sicherungen erzielten Sekundärstrom I₂ in kA an, während die Abszisse die Gewichtsprozente der Borsäure innerhalb des Füllmittels angibt, dessen übrige Anteile aus Siliziumdioxid bestehen. Die Kennlinien LA und LB zeigen die Sekundärströme auf, die sich mit unterschiedlichen Sicherungen A und B für unterschiedliche Zusammensetzungen der Füllmittel ergeben. Die Kurve LA zeigt, daß sie asymptotisch auf einen Mindestwert zugeht, und daß sich die Wirkung des steigenden Anteils an Borsäure schon ab ca. 20 Gewichtprozenten nicht mehr als wesentlich ergab. Bei der Kurve LB ergab sich schon mit einem Gewichtsanteil von 1% Orthoborsäure eine starke Begrenzung des Sekundärstromes, und ab ca.

10% Gewichtsanteilen ist der Abfall schon stark verlangsamt. Das zeigt, daß bei einer Sicherung der Bauart A oberhalb eines Gewichtsanteiles von 50% Borsäure sich keine Verbesserung mehr zeigt, während bei der Bauart B die Wirkung weiterer Anteile bereits bei einem Gewichtsanteil von 20% auftritt. In der Praxis wird man bereits aus Preisgründen wesentlich geringere Anteile der Borsäure wählen, zumal mit wachsendem Boranteil die Druckbeanspruchung des Rohres 2 zunimmt. Man wird den Mengenanteil der Orthoborsäure daher aufgrund einer Kurve wie der der F i g. 4 derart bestimmen, daß jeweils die untere Grenze des Boranteiles durch den Wert des zugelassenen Sekundärstromes bestimmt wird, und man wird wohl keinen wesentlich höheren Wert in der Praxis benutzen, da der obere Grenzwert des Boranteils durch die Festigkeit des Rohres 2 begrenzt ist.

Bei einem zweiten Beispiel einer Sicherung für 7,2 kV und 50 A wurde ein Füllmittel benutzt, das bei granula-

rer Konsistenz 5% Orthoborsäure und 95% Siliziumdioxid enthält. Das bei dieser Sicherung festgestellte Sekundärstromverhalten ist im Diagramm der Fig.3 wiedergegeben; wie sich beim Vergleich mit der F i g. 1 leicht ersehen läßt, wird bereits durch den geringen Bor-Säuregehalt des Füllstoffes der Sekundärstrom erheblich abgesenkt und verkürzt.

Bei den Ausführungsbeispielen ist bevorzugt Orthoborsäure (H3BO3) eingesetzt, die sich bei ihrer Erhitzung in Metaborsäure (HBO2) zersetzt und bei Temperaturen um 300⁰C schließlich in deren Anhydrid, das Bortrioxid (B2O3). Jeder dieser Wandlungen sowie die Verdampfung des freigegebenen Wassers absorbieren erhebliche Wärmeenergien aus dem Lichtbogen. Es könnten jedoch im Bedarfsfalle auch Metaborsäure oder Tetraborsäure oder Mischungen aus der Ortho-, Meta- bzw. Tetraborsäure benutzt werden. In dem Begriff »Borsäure« sind diese drei sowie beliebige Mischungen bzw. Gemenge derselben inbegriffen. Allerdings sind von den wasserärmeren Borsäuren der geringeren absorbierten Energien wegen größere Mengenanteile zu benutzen, ohne daß die anhand der Fig.4 erläuterten Zusammenhänge verlorengehen.

Damit können Starkstrom-Schmelzsicherungen mit verbesserten Sekundärstromverhalten wirtschaftlich geschaffen werden, die bei geringen Abmessungen sowohl des als Gehäuse dienenden Rohres als auch seiner Wandstärke starke Ströme zu unterbrechen vermögen und eine hohe Stromunterbrechungsleistung aufweisen.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Starkstrom-Schmelzsicherung mit einem beidendig durch metallische Kappen geschlossenen, aus Isolierstoff bestehenden Rohr, in dem, beidendig mit den Kappen verbunden, mindestens ein Schmelzeinsatz angeordnet ist, und in dem als Lichtbogenlöschmittel ein Borsäure und mindestens einen weiteren Stoff aufweisendes Füllmittel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmittel ein Gemisch von Borsäure und Siliziumdioxid ist.

2. Schmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmittel als Gemisch Orthoborsäure und Siliziumdioxid aufweist

3. Schmelzsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Orthoborsäure am Füllmittel weniger als 20 Gewichtsprozente beträgt

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