DE3220357A1

DE3220357A1 - Hochspannungs- und allzweckhochspannungsschmelzsicherung

Info

Publication number: DE3220357A1
Application number: DE19823220357
Authority: DE
Inventors: James Joseph Clifton Park N.Y. Carroll; John Graham Hickory N.C. Leach
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1981-06-03
Filing date: 1982-05-29
Publication date: 1982-12-23
Also published as: US4357588A; JPS581942A; GB2099640B; GB2099640A; FR2507384A1; CA1174716A; FR2507384B1

Description

Hochspannungs- und Allzweckhochspannungsschmelzsicherung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Schmelzsicherungen und betrifft insbesondere HochspannungsstrombegrenzungsschmeIzsicherungen zum Schutz eines elektrischen Transformators, der KurzSchlußströmen und schwachen und starken Überlastungsströmen ausgesetzt ist.

Hochspannungsstrombegrenzungsschmelzsicherungen, die zum Schutz von elektrischen Vorrichtungen, wie beispielsweise Transformatoren, benutzt werden, sollen dem Strom angepaßt sein, der in der Umgebung der elektrischen Vorrichtung fließt. Hochspannungsstrombegrenzungsschmelzsicherungen für elektrische Transformatoren können üblicherweise während des Auftretens eines StoßStroms oder einer Einschaltstromspitze dem 25-fachen des Transformatornennstroms für eine relativ kurze Zeitdauer von 0,01 s ausgesetzt sein, und es wird erwartet, daß sie dabei nicht schmelzen oder unterbrechen. Ebenso wird erwar-

tet, daß die strombegrenzende Schmelzsicherung während des Auftretens eines Einschaltstromstoßes, der für eine relativ kurze Zeitdauer von 0,1 s dem 12-fachen des "Transformatornennstroms entspricht, nicht schmilzt oder unterbricht. Unter KurzSchlußbedingungen soll jedoch die Hochspannungsschmelzsicherung unterbrechen, um eine Beschädigung des elektrischen Transformators zu verhindern. Weiter sollen unter KurzSchlußbedingungen die strombegrenzenden Schmelzsicherungen schnell unterbrechen, so daß die Menge an Energie, die von der Schmelzsicherung "durchgelassen" wird und den Transformator beschädigen kann, verringert oder begrenzt wird.

Weiter ist es erwünscht, daß eine Schmelzsicherung in der Lage ist, sämtliche Fehlerströme ab einem maximalen Unterbrechungsnennwert bis hinab zu denjenigen Werten, bei denen es zum Schmelzen der Sicherung in einer Stunde oder mehr kommt, zu beseitigen. Weiter ist es erforderlich, daß zum Schutz von Transformatoren bestimmte Schmelzsicherungen in der Lage sind, relativ schnell zu schmelzen, wenn sie einem Fehlerstrom ausgesetzt sind, der einem Kurzschluß am Ausgang des Transformators entspricht. Da dieser Strom nur dem 8-fachen des Nennstroms entsprechen und seine Beseitigung in weniger als 2 s erfordern kann, ist zu erkennen, daß viele der genannten Forderungen einander widersprechende Anforderungen an den Schmelzsicherungskonstrukteur stellen.

Hochspannungsstrombegrenzungsschmelzsicherungen sind bekannt. Eine solche Hochspannungsstrombegrenzungsschmelzsicherung ist in der US-PS 4 198 615 beschrieben. Die aus dieser Patentschrift bekannte Schmelzsicherung hat mehrere \ Strombegrenzungselemente und mehrere zu diesen elektrisch parallel geschaltete Vorrichtungen, die einen Lichtbogenspalt bilden. Beim Auftreten eines schwachen Fehlerstroms verteilen die Strombegrenzungsschmelzsicherungen den Fehler-

strom sequentiell auf die parallel geschalteten Schmelzleiter, und zwar auf einen nach dem anderen, um ein relativ schnelles Schmelzen jedes Schmelzleiters hervorzurufen, so daß die Beseitigung von Zuständen schwachen Fehlerstroms verbessert wird. Es ist erwünscht, die Funktion der richtigen Strombegrenzung durch die Verwendung von Schmelzleitern aliein zu erfüllen und die Anzahl der erforderlichen Schmelzleiter zu verringern.

Eine Hochspannungsschmelzsicherung, die mehrere gleiche,parallel geschaltete Schmelzleiter enthält, ist Inder US-PS 3 835 431 beschrieben. Die aus dieser Patentschrift bekannte elektrische Schmelzsicherung bietet Schutz für Kurzschlußzustände und für Bedingungen schwachen Überlastungsstroms und länger andauernden schwachen Überlastungsstroms.

Noch eine weitere strombegrenzende Schmelzsicherung ist in der US-PS 2 866 037 beschrieben. Diese bekannte strombegrenzende Schmelzsicherung hat verengte Teile verkleinerten Querschnittes zum Verringern der Lichtbogenenergie und ausserdem ein legierungsbildendes Material zum Verbessern des Ansprechens der Schmelzsicherung auf das Auftreten von Bedingungen schwachen, langer andauernden überlastungsStroms. Weder die aus der US-PS 3 835 431 noch die aus der US-PS 2 866 037 bekannte Schmelzsicherung ist in der Lage, zwischen Fehler- und transienten oder Stoßzuständen zu unterscheiden. Es ist erwünscht, eine Schmelzsicherung zu schaffen, die in der Lage ist, zwischen einem Fehlerstrom und einer Stoß- oder transienten und abnormen Stromaufnahme einer elektrischen Vorrichtung zu unterscheiden. Bei einem Fehlerzustand unterbricht die Schmelzsicherung, während sie unter Stoßbedingungen den Stoß aushält und nicht unterbricht.

Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, eine Hochspannungs-v Strombegrenzungsschmelzsicherung zu schaffen, die eine elektrische Vorrichtung, wie beispielsweise einen Transformator , während KurzschlußStrombedingungen und Bedingungen starken oder schwachen überlastungsStroms richtig schützt.

Weiter soll die Sicherung einen großen Bereich von Stromstößen aushalten, ohne zu unterbrechen.

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Ferner sollen die Schmelzleiter innerhalb der Schmelzsicherung unter KurzSchlußbedingungen schnell unterbrechen, damit die Menge' an von der Sicherung "durchgelassener" Energie verringert wird.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Hochspannungsstrombegrenzungsschmelzsicherung geschaffen, die -; Schmelzleiter aufweist, welche unter Kurzschlußstrombedingungen schnell unterbrechen, aber Bedingungen relativ starken Einschaltstromstoßes, die eine kurze Zeitdauer haben, aushalten und Bedingungen relativ schwachen Stroms», die zum -», Schmelzen des Schmelzleiters in einer Stunde oder mehr führen würden, beseitigen. Die Hochspannungsschmelzsicherung unterbricht einen großen Bereich von Strömen und ist insbesondere zur Unterbrechung von schwachen Strömen geeignet.' Die Hochspannungsschmelzsicherung hat ein rohrförmigen Isoliergehäuse und innerhalb desselben ein inertes körniges Material hoher Durchschlagfestigkeit. Die Schmelzsicherung enthält weiter ein oder mehrere bandartige Schmelzleiter. Die Schmelzleiter sind elektrisch parallel geschaltet, wenn mehr als einer vorhanden ist. Der oder die Schmelzleiter .: haben an gegenseitigen Abstand aufweisenden Stellen über · ihrer Länge eine erste und eine zweite Anzahl von Teilen mit einem ersten bzw. einem zweiten vorbestimmten verkleinerten Querschnitt des Schmelzleiters, der für die Stromleitung verfügbar ist. Die zweite Anzahl von Teilen verklei-

nerten Querschnittes hat zwei oder mehr als zwei parallele, elektrisch leitende Abschnitte. Die Teile mit dem ersten vorbestimmten verkleinerten Querschnitt haben eine derartige Schmelzzeit-Strom-Kennlinie, daß das Schmelzen eingeleitet wird, bevor der Teil mit dem zweiten vorbestimmten verkleinerten Abschnitt unter ersten abnormen Strömbedingungen, unter denen der von dem Schmelzleiter aufgenommene Strom einen ersten vorbestimmten Stromwert für eine erste vorbestimmte Zeitdauer überschreitet, schmilzt. Die Teile mit dem zweiten vorbestimmten verkleinerten Querschnitt haben eine derartige Schmelzzeit-Strom-Kennlinie, daß das Schmelzen eingeleitet wird, bevor die Teile mit dem ersten vorbestimmten verkleinerten Querschnitt unter zweiten abnormen Strombedingungen, unter denen der von dem Schmelzleiter aufgenommene Strom kleiner als der erste vorbestimmte Stromwert ist und eine Zeitdauer hat, die einen zweiten Wert übersteigt, der größer ist als die erste vorbestimmte Zeitdauer, schmilzt. Die Teile verkleinerten Querschnittes der zweiten Anzahl haben jeweils zwei oder mehr als- zwei elektrisch leitende Abschnitte. Diese zwei oder mehr als zwei elektrisch leitenden Abschnitte haben schmelzbare Materialien, von denen eines eine höhere Schmelztemperatur hat als das Material des übrigen Abschnittes oder der übrigen Abschnitte, so daß der eine elektrisch leitende Abschnitt unter den zweiten abnormen Strombedingungen nach dem anderen Abschnitt oder den anderen Abschnitten schmilzt. Der eine Abschnitt von jedem der Teile verkleinerten Querschnittes der zweiten Anzahl hat unter den zweiten abnormen Strombedingungen eine ausreichend lange Schmelzzeit, um sämtliche übrigen Abschnitte von im wesentlichen sämtlichen Teilen verkleinerten Querschnittes der zweiten Anzahl zum Schmelzen zu zwingen, bevor der eine Abschnitt schmilzt.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 einen Teil eines Schmelzleiters gemäß

einer Ausführungsform der Erfindung,

die Fig. 2 und 3 verschiedene Arten der Befestigung eines

Materials niedrigeren Schmelzpunktes an dem Schmelzleiter,

Fig. 4 die Kennlinie des in Fig. "1 gezeigten

Schmelzleiters und

die Fig. 5-9 verschiedene Ausführungsformen des

SchmelzIeiters nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Schmelzleiters 10 nach der Erfindung. Es ist zwar nur ein einzelner Schmelzleiter 10 in Fig. 1 dargestellt, es ist jedoch klar, daß die Erfindung den Aufbau einer nicht dargestellten Schmelzsicherung um^ faßt, in der mehrere Schmelzleiter 10 elektrisch parallel geschaltet sind. Die Schmelzleiter 10 der Schmelzsicherung können um einen tragenden Kern herumgewickelt sein, welcher innerhalb eines rohrförmigen Isoliergehäuses, angeordnet ist, das elektrische Klemmen an seinen entgegengesetzten Enden hat, und die Schmelzleiter 10 bilden einen elektrischen Stromkreis zwischen diesen Klemmen. Außerdem kann die Schmelzsicherung von einer Bauart sein, bei der kein tragender Kern vorhanden ist. Bei einer solchen Bauart sind die Schmelzleiter 10 zwischen die elektrischen Klemmen geschaltet, welche an den entgegengesetzten Enden der Schmelzsicherung angeordnet sind. Das Isoliergehäuse, der tragende Kern und die Klemmen sind in Fig. 1 zwar nicht dargestellt, bezüglich der Darstellung derselben wird jedoch auf die US-PS 3 294 936 verwiesen. Auf den Inhalt dieser Patentschrift wird ausdrücklich Bezug genommen.

Jeder Schmelzleiter 10 ist bandförmig und besteht aus einem elektrisch leitenden schmelzbaren Material, wie beispielsweise Silber. Die Abmessungen jedes Schmelzleiters 10 sind von der Strombelastbarkeit der Vorrichtung abhängig, die durch die Schmelzsicherung geschützt werden soll. Wenn beispielsweise ein elektrischer Transformator Nennwerte von 1000 kVA und 13,2 kV hat, kann die Schmelzsicherung fünf parallel angeordnete Schmelzleiter 10 enthalten, von denen jeder eine typische Länge von 1000 mm, eine Breite von 5 mm und eine Dicke von 0,05 mm hat. Die fünf Schmelzleiter 10 können jeweils eine Strombelastbarkeit von 13 A Dauerstrom haben.

Der Schmelzleiter 10 hat eine erste Anzahl von Ausschnitten oder Löchern 12 und eine zweite Anzahl von Ausschnitten oder Schlitzen 14. Die Schlitze 14 sind durch eine Gruppe von gegenseitigen Abstand aufweisenden Löchern 12 voneinander getrennt. Die Löcher 12 und die Schlitze 14 schaffen an gegenseitigen Abstand aufweisenden Stellen über der Länge des Schmelzleiters 10 eine erste bzw. zweite Anzahl von Teilen des Schmelzleiters 10 mit für das Leiten von elektrischem Strom verfügbarem verkleinertem Querschnitt. Einer der im Querschnitt verkleinerten Verengungsteile auf jeder Seite des Schlitzes 14 hat einen in Fig. 1 gezeigten Teil 20, an welchem ein schmelzbares Material, beispielsweise ein Lötmetall, befestigt ist, dessen Schmelztemperatur wesentlich niedriger ist als die des schmelzbaren Materials des Schmelzleiters 10. Die Fig. 2 und 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen des Befestigens des Teils 20 an den gewünschten Verengungsteilen des Schmelzleiters 10.

Der Schmelzleiter 10 ist gemäß der Darstellung in Fig. 2 in dem gewünschten Verengungsteil vertieft oder verformt, so daß ein Kanal oder eine Mulde 21 gebildet ist. Das Material mit der niedrigeren Schmelztemperatur, wie beispielsweise Lötmetall, ist in den Kanal 21 eingeschmolzen, damit ein inniger Kontakt mit dem Schmelzleiter 10 vorhanden ist.

Fig. 3 zeigt einen Teil 2OA, der zwei getrennte Abschnitte 10A und 10B des Schmelzleiters 10 miteinander verbindet. Der Teil 2OA ist an den Abschnitten 10A und 10B jeweils mechanisch befestigt und stellt die elektrische Verbindung zwischen den Abschnitten 10A und 10B her, die an den gewünschten Längsschlitzen 14 des Schmelzleiters 10 angeordnet sind.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Löcher 1.2 des Schmelzleiters 10, die durch Ausschnitte im Mittelbereich des Schmelzleiters 10 gebildet sind. Der Bereich zwischen den Löchern 12 und deren zugeordnete äußere Verengungsteile des Schmelzleiters 10 bilden parallele Verengungsgebiete 16', wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Die in Fig. 1 gezeigten Löcher 12 haben zwar Kreisform, es können jedoch auch andere Formen benutzt werden, um definierte Verengungsgebiete 16 festzulegen. Die Löcher 12 und die parallelen Verengungsgebiete 16 können bei einer Nennstrombelastbarkeit von 13 A einen typischen Durchmesser von 3 mm bzw. eine typische Breite von 0,7 mm haben.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform von Schlitzen 14, die durch Ausschnitte in dem Mittelbereich des Schmelzleiters 10 gebildet sind. Der Bereich zwischen den Schlitzen und deren zugeordnete äußere Verengungsteile des Schmelzleiters 10 bilden parallele Verengungsgebiete 18, wie es in Fig. dargestellt ist. Die dargestellten Schlitze 14 haben zwar eine langgestreckte Form, es können jedoch auch andere Formen benutzt werden, um definierte Verengungsgebiete 18 festzulegen. Die Schlitze 14 und die parallelen Verengungsgebiete 18 können bei der oben erwähnten Nennstrombelastbarkeit von 13 A eine typische Länge von 18 mm bzw. eine typische Breite von 1,2 mm haben.

Gemäß den Darlegungen in der Beschreibungseinleitung ist es erwünscht, daß eine Schmelzsicherung, die Schmelzleiter aufweist, wie die Schmelzleiter 10, in der Lage ist, relativ starke Einschaltstromstöße auszuhalten, welche mit unterschiedlicher Zeitdauer auftreten und von einer elektrischen Vorrichtung, wie beispielsweise einem Hochspannungstransformator, aufgenommen werden. Es ist außerdem erwünscht, daß unter KurzSchlußbedingungen der Schmelzleiter 10 sehr schnell unterbricht, so daß die Menge an Energie, die von der Schmelzsicherung unter diesen KurζSchlußStrombedingungen "durchgelassen" wird, verkleinert oder wesentlich begrenzt wird.

Bekanntlich sind die Zeitdauer und die Stromdichte bei einem schmelzbaren Material zusammen mit den verschiedenen Querschnitten des Schmelzleitermaterials, die zum Leiten des aufgenommenen elektrischen Stroms verfügbar sind, Faktoren, welche die Schmelzzeit-Strom-Kennlinie für das Schmelzen oder Unterbrechen des SchmelzIeiters 10 bestimmen. Die Querschnittsteile des Schmelzleiters 10 bestimmen das Volumen, in das die durch den Stromfluß erzeugte Wärme abgeführt werden kann, während deren Oberfläche außerdem den Wärmeverlust des Schmelzleiters 10 beeinflußt. Weiter legt auch die Wahl der Schmelztemperatur für die Teile des Schmelzleiters 10 das Unterbrechen desselben fest. Die Geometrie (einschließlich der Länge, der Breite und der Dicke) der Verengungsgebiete 16 und 18 und das Hinzufügen eines Materials niedrigeren Schmelzpunktes zu dem Teil 20 werden so gewählt, daß sich ein Schmelzleiter 10 ergibt, der dem Strom angepaßt ist, welcher in der Umgebung des Hochspannungstransformators fließt.

Der Querschnitt und die Geometrie der Verengungsgebiete 16 werden so gewählt, daß sie unterbrechen, wenn der von dem Schmelzleiter 10 aufgenommene Strom einen ersten Stromwert

übersteigt und eine erste Zeitdauer hat, die einen ersten vorbestimmten Wert übersteigt. Ebenso werden der Querschnitt und die Geometrie der Verengungsgebiete 18 so gewählt, daß sie unterbrechen, wenn der von dem Schmelzleiter 10 aufgenommene Strom kleiner als der erste vorbestimmte Wert ist und eine zweite Zeitdauer hat, welche den ersten vorbestimmten Wert übersteigt. Bei einer Schmelzsicherung mit fünf Schmelz leitern 10, die die oben für die Gebiete 16 und 18 angegebenen Abmessungen haben, bewirkt die Aufnahme eines Stroms von mehr als 1500 A für eine Zeitdauer von ungefähr 0,01 s, daß die Gebiete 16 schmelzen und unterbrechen,, während die Aufnahme eines Stroms von mehr als 620 A für eine Zeitdauer von ungefähr 0,10 s bewirkt, daß das Gebiet 18 schmilzt und unterbricht. Ein Strom von 520 A repräsentiert eine typische Einschaltstromspitze, deren Wert das 12-fache des Nennstroms des durch die Schmelzsicherung geschützten elektrischen Transformators ist. Ebenso repräsentiert ein Strom von 1100 A eine typische Einschaltstromspitze, deren Wert das 25-fache des Nennstroms des durch die Schmelzsicherung geschützten elektrischen Transformators ist.

Wenn die Schmelzsicherung einem Kurzschlußstrom ausgesetzt ist, kann die Energie I²t, die von der Schmelzsicherung "durchgelassen" wird, bevor sie durchzubrennen beginnt, berechnet werden. Mit der Anzahl und den Abmessungen der Schmelzleiter 10, die oben angegeben sind, und bei einem starken Kurzschlußstrom (beispielsweise 50000 A) würde die zum Durchschmelzen des Verengungsgebietes 18 erforderliche Energie I²t ungefähr 30000 A²S betragen, während die, die zum Durchschmelzen des Gebietes 16 erforderlich ist, nur ungefähr 10000 A²S betragen würde. Das Gebiet 18 legt daher die Begrenzung für Einschaltstromspitzen von 0,1 s fest, während das Gebiet 16 die zum Durchschmelzen der Schmelzsi-

cherung bei einem Kurzschluß erforderliche Energie I²t begrenzt . Das Gebiet 16 würde zwar einen Stromstoß von 0,1 s gut aushalten, es würde jedoch dem Transformator keinen guten Schutz bei mäßigen Überlastungen bieten, wie sie auftreten, wenn ein Fehler an der Sekundärwicklung des Transformators vorhanden ist. Wenn das oben angegebene Beispiel der Schmelzsicherung und des Transformators benutzt wird und wenn ein Durchgangsfehlerstrom von der Schmelzsicherung aufgenommen wird, der ungefähr das 8-fache des Transformatornennstroms beträgt, nämlich 345 A, so wird das Gebiet 18 bewirken, daß die Schmelzleiter 10 in ungefähr 2 s durchschmelzen, während das Gebiet 16 zum Durchschmelzen ungefähr 10s erfordern würde. Darüber hinaus wäre das Gebiet 16 nicht in der Lage, einen Betrieb mit schwachem überstrom zu gestatten, wie er bei einem Strom auftritt, der das Durchschmelzen der Schmelzleiter 10 in einer Stunde oder mehr bewirkt.

Gemäß der weiter unten angegebenen ausführlichen Erläuterung der Arbeitsweise der Schmelzsicherung, insbesondere des Schmelzleiters 10, bezüglich des Ansprechens auf Bedingungen schwachen überlastungsStroms, wird das Ansprechen des Schmelzleiters 10 auf die Bedingungen schwachen Überstroms hauptsächlich durch das Teil 20 aus niedrigschmelzendem Material gesteuert, das auf dem Verengungsteil der parallel angeordneten Verengungsgebiete 18 angeordnet ist. Die Teile 20 ergeben einen bekannten "M"-Effekt, so daß die Teile 20, die eine niedrigere Schmelztemperatur als der übrige Teil des Schmelzleiters 10 haben, als erste Teile des Schmelzleiters 10 unter Bedingungen schwachen Überstroms schmelzen. Wenn die Teile 20 bewirken, daß die Hälfte der parallelen Verengungsgebiete 18 öffnet, wird der Stromfluß bevorzugt auf die intakten parallelen Verengungsgebiete 18 verteilt, um das Unterbrechen des Schmelzleiters 10 unter den Bedingungen schwachen überStroms zu verbessern. Das Ansprechen

der Schmelzsicherung auf Stoßbedingungen wird zuerst erläutert.

Ansprechen der Schmelzsicherung auf Stoßbedingungen

Die AnsprechcharaktBTtfistik der Schmelzsicherung, die fünf Schmelzleiter 10 aufweist, auf die oben erwähnten Einschaltstromspitzen, die jeweils eine typische Zeitdauer von 0,01 und 0,1 s haben, ist in Fig. 4 als Kurve A dargestellt. Auf der X-Achse ist in Fig. 4 der Strom in Ampere aufgetragen, der von der Schmelzsicherung aufgenommen wird, während auf

der Y-Achse in Fig. 4 die Dauer des aufgenommenen Stroms aufgetragen ist. ._. . .-

In Fig. 4 wird eine Kreisdarstellung 22 benutzt, um das Ansprechen der Schmelzsicherung , Kurve A, auf einen aufgenommenen Strom oder eine Einschaltstromspitze mit einem Wert von ungefähr 620 A und einer Zeitdauer von 0,1 s anzugeben. Die Kreisdarstellung 22 gibt das Durchschmelzen oder Unterbrechen der Gebiete 18 der Schmelzleiter 10 an. In Fig. 4 wird eine Kreisdarstellung 24 benutzt, um das Ansprechen der Schmelzsicherung auf einen Einschaltstromstoß mit einem Wert von 1500 A und einer Zeitdauer von 0,01 s anzugeben. Die Kreisdarstellung 24 gibt das Durchschmelzen oder Unterbrechen der Gebiete 16 der Schmelzleiter 10 an.

Das Ansprechen im mittleren Teil oder Übergangsbereich der Kurve A ist durch eine Kreisdarstellung 26 angegeben. Bei aufgenommenen Strömen, deren Werte größer sind·als die durch die Kreisdarstellung 26 angegebenen, wird das Unterbrechen der Schmelzleiter 10 hauptsächlich durch die Gebiete 16 gesteuert, und umgekehrt wird bei Strömen, die kleiner als die durch die Kreisdarstellung 26 angegebenen sind, das Unterbrechen der Schmelzleiter 10 häuptsächlich durch die Gebiete

18 gesteuert. Das Ansprechen des Schmelzleiters 1O auf einen KurζSchlußstrom (d.h. auf einen Strom, der größer ist als der, welcher dem Ansprechen gemäß der Kreisdarstellung 24 entspricht) ist in Fig. 4 nicht gezeigt; ebensowenig ist das Ansprechen auf einen schwachen Strom gezeigt (d.h. auf einen Strom, der kleiner ist als der, welcher dem Ansprechen gemäß der Kreisdarstellung 22 entspricht). Das Ansprechen der Schmelzsicherung auf einen Kurzschlußstrom und auf einen Zustand schwachen Überstroms wird am besten an Hand der folgenden Beschreibungen der Arbeitsweise der Schmelzsicherung verständlich.

Ansprechen der Schmelzsicherung auf KurzSchlußbedingungen

Das Ansprechen der Schmelzsicherung, die mehrere Schmelzleiter 10 aufweist, auf einen Kurzschlußstromzustand wird hauptsächlich durch die Verengungsteile 16 jedes Schmelzleiters 10 gesteuert, während das Ansprechen der Schmelzsicherung auf Bedingungen schwachen überstroms hauptsächlich durch eine Wechselwirkung zwischen den Verengungsteilen 18 und den Teilen 20 der einzelnen Schmelzleiter 10 gesteuert wird, so daß ein mehrfaches Durchbrennen der Schmelzleiter 10 verwirklicht werden kann.

Die mehreren Schmelzleiter 10 der Schmelzsicherung sprechen jeweils auf einen Kurzschlußstromzustand durch schnelles Durchschmelzen der Verengungsteile 16 an. Das Durchschmelzen der Verengungsteile 16 jedes Schmelzleiters 10 ergibt eine Stromkreisunterbrechung für den aufgenommenen Kurzschlußstrom.

Ansprechen der Schmelzsicherung auf Bedingungen schwachen Oberstroms

Die Gesamtwirkungsweise der Schmelzsicherung, die mehrere Schmelzleiter 10 aufweist, bei Bedingungen schwachen Über-

Stroms wird am besten verständlich, wenn zuerst die Einzelbetriebsweise des Schmelzleiters 10 bei diesen Bedingungen beschrieben wird. Wenn ein einzelner Schmelzleiter 10 einem schwachen Überstrom ausgesetzt ist, schmelzen die Teile 20, die die niedrigste Schmelztemperatur haben, zuerst und öffnen eine Hälfte der parallelen Verengungsgebiete 18. Der Überstrom fließt dann in dem intakten parallelen Abschnitt der Verengungsgebiete 18, was dazu führt, daß die Stromdichte des Überstroms um einen Faktor vergrößert wird, der ungefähr gleich dem Verhältnis zwischen den gesamten Breiten der Verengungsgebiete 18 und der Breite des intakten Abschnitts der Verengungsgebiete 18 ist. Die Vergrößerung der Stromdichte verringert die Zeit, die zum Durchschmelzen des intakten Abschnitts der Verengungsgebiete 18 erforderlich ist. Dieser Zeitwert sollte jedoch ausreichend lang sein, so daß sämtliche Reihenteile 20 längs jedes Schmelzleiters 10 gezwungen werden zu Öffnen, bevor der erste intakte Abschnitt 18 des Schmelzleiters 10 öffnet. Die Beschränkung dieser Schmelzzeit auf ihren gewünschten Wert erfordert eine weitere Erläuterung des Schmelzleiters. Um zu gewährleisten, daß diese Schmelzzeit für den intakten Teil ausreichend lang ist, erfordern die Wechselwirkungen zwischen den mehreren Schmelzleitern 10 der Schmelzsicherung eine Erläuterung.

Wenn der erste intakte Abschnitt in einem Schmelzleiter einer mehrere Schmelzleiter aufweisenden Schmelzsicherung öffnet, wird der normalerweise in diesem Abschnitt fließende Strom nun auf die übrigen Abschnitte aufgeteilt, insbesondere auf die Verengungsgebiete 18 von sämtlichen übrigen Schmelzleitern 10. Dadurch wird die Stromdichte in den intakten Abschnitten der Verengungsgebiete 18 der übrigen Schmelzleiter 10 weiter vergrößert. Die Anzahl der Schmelzleiter 10, nämlich einer oder mehrere, wird in Verbindung mit den Abmessungen der Verengungsgebiete 1.8 und dem ge-

wünschten Mindestunterbrechungsstrom der Schmelzsicherung so gewählt, daß, wenn der überstrom in nur einem Schmelzleiter 10 fließt, alle in Reihe angeordneten intakten Verengungsgebiete 18 dieses Schmelzleiters 10 schmelzen und durchbrennen. Das Durchbrennen in Serie ist schwierig erreichbar, wenn nicht die Stromdichte in den in Reihe angeordneten Verengungsgebieten über einem Wert liegt, der für die Geometrie des Verengungsgebietes charakteristisch ist. Beispielsweise kann ein Verengungsgebiet 18 der oben beschriebenen Art eine Stromdichte über 1500 A/mm² erfordern, wenn ein erfolgreiches Serienmehrfachdurchbrennen erreicht werden soll. Die Verwendung der Teile 20 auf einem Teil jedes Verengungsgebietes 18 verkleinert die Anzahl von parallelen Elementen, die zum Erzielen eines erfolgreichen Mehrfachdurchbrennens und daher zur Überstrombeseitigung bei einer bestimmten verlangten Stoßstromfestigkeit benötigt werden. Weiter gestatten die Abmessungen der Verengungsgebiete 16 und 18 eine optimale Betriebszeit-Strom-Kennlinie in dem Gesamtgebiet von 0,1 bis 10 s, kombiniert mit der optimalen Kennlinie um 0,01 s herum und einem minimalen Energiedurchlaß bei starkem Fehlerstrom, der zum Ansprechen in weniger als 0,01 s führt.

Damit dürfte klar geworden sein, daß die Schmelzsicherung und insbesondere der Schmelzleiter 10 der Stromumgebung einer elektrisch Vorrichtung, wie beispielsweise eines Hochspannungstransformators, angepaßt ist. Der Schmelzleiter erkennt Einschaltstromstoßbedingungen und unterbricht nicht, während der Schmelzleiter 10 unter Kurzschlußbedingungen schnell unterbricht, um die Menge an "durchgelassener" Energie zu begrenzen oder zu verkleinern. Die Verwendung des Schmelzleiters oder der Schmelzleiter 10 ergibt weiter einen SchmelzSicherungsbetrieb in dem Bereich von 2 bis 10s bei einem relativ schwachen Strom und eine Sicherung, die in der Lage ist, sehr schwache Überströme zu beseitigen.

Es dürfte weiter klar geworden sein, daß die Abmessungen der Löcher 12, der Schlitze 14 und der Verengungsgebiete 16 und 18 des Schmelzleiters 10 gewählt werden können, um den Schmelzleiter 10 an verschiedene Stromumgebungen anzupassen, denen verschiedene elektrische Vorrichtungen ausgesetzt sein können. Weitere Ausführungsformen des Schmelzleiters 10 sind in den Fig. 5 bis 9 gezeigt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform zum Bilden von anderen Verengungsgebieten 16A. Die Verengungsgebiete 16A werden durch das Anbringen von Löchern 12A ähnlich den oben beschriebenen Löchern 12 in dem Mittelbereich des Schmelzleiters 10 und außerdem durch das Anbringen von zwei zusätzlichen Löchern 12B, die ungefähr jeweils gleich der Hälfte eines Loches 12 sind, in jedem Verengungsteil des Schmelzleiters 10 gebildet.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform des Bildens von anderen Verengungsgebieten 18A. Die Verengungsgebiete 18A werden durch das Anbringen eines Schlitzes 14A ähnlich dem oben beschriebenen Schlitz 14 in dem Mittelbereich des Schmelzleiters 10 und außerdem durch das Anbringen von zwei zusätzlichen Schlitzen 14B, die ungefähr jeweils gleich der Hälfte des Schlitzes 14 sind, in jedem Rand des Schmelzleiters 10 gebildet. Fig. 6 zeigt weiter zwei Teile, nämlich erstens den Teil 20, der quer schraffiert dargestellt ist und das oben beschriebene Material mit dem "M"-Effekt aufweist, und zweitens einen Teil 30, der ebenfalls quer schraffiert dargestellt ist, aber aus einem Material besteht, das einen höheren Schmelzpunkt als das "M"-Effekt-Material des Teils 20 hat. Der Teil 20, der eine niedrigere Schmelztemperatur als der Teil 30 hat, gewährleistet, daß der Teil 20 gegenüber dem Teil 30 zuerst schmilzt, so daß sich eine vorbestimmte bevorzugte sequentielle Verteilung

des Stromflusses auf die Verengungsgebiete 18A ergibt. Weiter können die Verengungsgebiete 18A so gewählt werden, daß sie unterschiedliche Breiten haben, so daß ein Gebiet 18A, das eine größere Breite und ein größeres Volumen hat, als erstes unterbricht, um so die bevorzugte Stromverteilung auf die Gebiete 18A zu gewährleisten.

Fig.7 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bildens von anderen Verengungsgebieten T8B und 18C. Das Verengungsgebiet 18B wird durch das Anbringen eines Schlitzes 14D ähnlich dem oben beschriebenen Schlitz 14 in dem Mittelbereich des Schmelzleiters 10 und eines Schlitzes 14C, der ungefähr gleich der Hälfte des Schlitzes 14 ist, in einem Rand des Schmelzleiters 10 gebildet. Das Verengungsgebiet 18C wird ebenfalls durch das Anbringen des Schlitzes 14 gebildet, das oben beschriebene Loch 12B bildet jedoch ebenfalls das Verengungsgebiet 18C. Das Loch 12B kann in der Nähe eines Teils 20 angeordnet werden, so daß beim Schmelzen des Teils 20 der Abschnitt des einen verkleinerten Querschnitt aufweisenden Gebietes 18C, der durch das Loch 12B begrenzt wird, als erster unterbrechen kann. Eine ähnliche Verwendung eines Loches 12B ist bei irgendeiner oder sämtlichen Ausführungsformen des Schmelzleiters 10 nach der Erfindung möglich.

Fig. 8 zeigt noch eine weitere Ausführungsform des Bildens von anderen Verengungsgebieten 18D, 18E und 18F, die Teile 20, 30 bzw. 40 haben. Der Teil 40 besteht aus einem Material/ das eine höhere Schmelztemperatur als das Material des Teils 20 oder 30 hat. Die Verengungsgebiete 18D, 18E und 18F werden durch das Anbringen von Schlitzen 14E und 14F, die jeweils dem Schlitz 14 gleichen, in ausgewählten Gebieten des Schmelzleiters 10 gebildet. Aus Fig. 8.ist zu erkennen, daß die ausgewählten Gebiete so gewählt werden können, daß sich Verengungsgebiete 18D, 18E und 18F ergeben, welche gleiche

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oder unterschiedliche gewünschte Abmessungen haben. Die gewünschten Abmessungen der Verengungsgebiete 18D, 18E und 18F können ihrerseits so gewählt werden, daß die bevorzugte Verteilung des Stromflusses auf die Gebiete 18D, 18E und 18F erreicht wird.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Schmelzleiters 10, der einen Teil 20 hat, welcher an einem Rand des Schmelzleiters 10 angeordnet ist und an ein Loch 12 angrenzt. Der Teil 20 ergibt den "M"-Effekt zum Unterstützen des Unterbrechens des Querschnittes des Schmelzleiters 10, in welchem das den Teil 20 aufweisende Loch 12 angeordnet ist.

Es dürfte klar geworden sein, daß die Wahl der Abmessungen des Schmelzleiters 10 gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung eine Schmelzvorrichtung ergibt, die an die vielfältigsten Stromumgebungen anpaßbar ist, um den richtigen Schutz der vielfältigsten elektrischen Vorrichtungen zu gewährleisten.

Leerseite

Claims

Ansprüche :

Hochspannungsschmelzsicherung zum Unterbrechen eines großen Bereiches von Strömen und insbesondere zum Unterbrechen von schwachen Strömen, mit einem rohrförmigen Isoliergehäuse, welches ein inertes körniges Material hoher Durchschlagfestigkeit enthält,

gekennzeichnet durch ein oder mehrere bandförmige Schmelzleiter (10), die, wenn mehr als einer vorhanden sind, elektrisch parallel geschaltet sind; wobei der oder die Schmelzleiter (10) an gegenseitigen Abstand aufweisenden Stellen über der Länge eines Schmelzleiters eine erste und eine zweite Anzahl von Teilen (16, 18) von ersten bzw. zweiten vorbestimmten verkleinerten Querschnitten des Schmelzleiters aufweisen, die für das Leiten von elektrischem Strom verfügbar sind, und wobei die zweite Anzahl von Teilen verkleinerten Querschnittes zwei oder mehr als zwei parallele, elektrisch leitende Abschnitte aufweist;

wobei die Teile des ersten vorbestimmten verkleinerten Querschnittes eine derartige Schmelzzeit-Strom-Kennlinie haben,

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daß das Schmelzen derselben vor dem Schmelzen der Teile des· zweiten vorbestimmten verkleinerten Querschnittes unter ersten abnormen Strombedingungen eingeleitet wird, unter denen der von dem Schmelzleiter (10) aufgenommene Strom einen ersten vorbestimmten Stromwert für eine erste vorbestimmte Zeitdauer übersteigt; ;.-... . ■ " wobei die Teile des zweiten vorbestimmten verkleinerten, -.. Querschnittes eine derartige Schmelzzeit-Ström-Kennlinie haben, daß das Schmelzen derselben vor dem Schmelzen der Teile des ersten vorbestimmten verkleinerten Querschnittes unter zweiten abnormen Strombedingungen eingeleitet wird, unter denen der von dem Schmelzleiter (.10) aufgenommene Strom kleiner als der erste vorbestimmte Strom ist und eine Zeitdauer hat, die einen zweiten Wert übersteigt, welcher, größer ist als die erste vorbestimmte Zeitdauer; wobei zwei oder mehr als zwei elektrisch leitende Abschnitte schmelzbare Materialien (20, 20A) aufweisen, von denen eines eine höhere Schmelztemperatur als das Material des übrigen Abschnitts oder der übrigen Abschnitte hat, so daß der eine elektrisch leitende Abschnitt nach dem anderen Abschnitt oder den anderen Abschnitten unter den zweiten abnormen SCrombedingungen schmilzt; und

wobei der eine Abschnitt von jedem der zweiten Anzahl von Teilen verkleinerten Querschnittes eine ausreichend lange Schmelzzeit unter den zweiten abnormen Strombedingungen hat, um sämtliche übrigen Abschnitte von im wesentlichen sämtlichen Teilen verkleinerten Querschnittes der zweiten An-* zahl zum Schmelzen zu zwingen, bevor die einen Abschnitte schmelzen.
2. Hochspannungsschmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anzahl von Teilen des ersten vorbestimmten verkleinerten Querschnittes zwei Verengungsteile des Schmelzleiters (10) aufweist, die durch einen

kreisförmigen Ausschnitt (12) in dem Mittelbereich des Schmelzleiters gebildet sind.
3. Hochspannungsschmelzsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anzahl von Teilen des zweiten vorbestimmten verkleinerten Querschnittes aufweist:

zwei Verengungsteile, die sich längs des Schmelzleiters (10) erstrecken und durch einen langgestreckten schlitzförmigen Ausschnitt (14) gebildet sind, der sich in Richtung der Länge des Schmelzleiters erstreckt und in dem Mittelbereich des Schmelzleiters angeordnet ist, wobei die beiden Verengungsteile ihrerseits zwei parallele, elektrisch leitende Abschnitte bilden, von denen einer ein schmelzbares Material (20, 20A) hat, dessen Schmelzpunkt höher ist als der des Materials des anderen Abschnittes oder der anderen Abschnitte.
4. Hochspannungsschmelzsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein schmelzbares Material (20), das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material des anderen Abschnittes oder der anderen Abschnitte hat, an dem einen der parallelen, elektrisch leitenden Abschnitte in einem Kanal (21) befestigt ist, der in dem Mittelbereich-des einen parallelen, elektrisch leitenden Abschnittes angeordnet ist.
5. Hochspannungsschmelzsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein schmelzbares Material (20A), das eine niedrigere Schmelztemperatur als das Material des anderen Abschnittes oder der anderen Abschnitte hat, an zwei getrennten Abschnitten (10A, 10B) von einem der elektrisch leitenden Abschnitte mechanisch befestigt ist und die getrennten Abschnitte elektrisch miteinander verbindet.

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6. AllzweckhochspannungsschmelzSicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anzahl-von Teilen des ersten vorbestimmten verkleinerten Querschnittes zwei Teile (16A) des Schmelzleiters (10) aufweist, die durch einen kreisförmigen Ausschnitt (12A) in dem Mittelbereich des Schmelzleiters getrennt sind, wobei jeder der beiden getrennten Teile einen halbkreisförmigen Ausschnitt (12B) hat, welcher in dessen äußerem Verengungsteil gebildet ist.
7.. Allzweckhochspannungsschmelz sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anzahl von Teilen des zweiten vorbestimmten verkleinerten Querschnittes auf^ weist:

zwei Teile (18A) des Schmelzleiters (10), die durch einen langgestreckten Ausschnitt (14) in dem Mittelbereich des Schmelzleiters·voneinander getrennt sind, wobei die !seiden getrennten Teile äußere Verengungsteile mit einem weiteren Ausschnitt (14B) haben, der eine langgestreckte Form hat und Abmessungen aufweist, die etwa gleich der Hälfte der Abmessungen des mittleren langgestreckten Ausschnittes sind, wobei jeder der beiden getrennten Teile der zweiten Anzahl einen Teil (20, 30) schmelzbaren Materials aufweist, der in ihrem Mittelbereich angeordnet ist und eine Schmelztempera— tür hat, die niedriger ist als die des Schmelzleiters (10), und wobei die beiden Teile aus einem Material mit niedrigerer Schmelztemperatur so ausgebildet sind, daß ein Teil ein Material hat, dessen Schmelztemperatur höher als die des anderen Teils ist.
8. Allzweckhochspannungsschmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anzahl von Teilen des zweiten vorbestimmten verkleinerten Querschnittes aufweist:

zwei Teile (18B, 18C) des Schmelzleiters (10), die durch einen Ausschnitt (14D) getrennt sind, der eine langgestreck-

te Form hat, die gegenüber dem Mittelbereich des Schmelzleiters versetzt ist, wobei einer der beiden getrennten Teile einen äußeren Verengungsteil mit einem weiteren Ausschnitt (14C) hat, der eine langgestreckte Form und Abmessungen aufweist, die etwa gleich der Hälfte der Abmessungen des gegenüber dem Mittelbereich versetzten langgestreckten Ausschnittes (14D) sind, wobei der andere getrennte Teil (18C) einen Teil (20) aus einem schmelzbaren Material hat, welcher in dessen Mittelbereich angeordnet ist und eine Schmelztemperatur hat, die niedriger ist als die des Schmelzleiters (10), und wobei der andere getrennte Teil (18C) einen halbkreisförmigen Ausschnitt (12B) hat, der in seinem äußeren Verengungsteil und nahe dem in dem Mittelbereich angeordneten Material niedrigerer Schmelztemperatur angeordnet ist.
9. Allzweckhochspannungsschmelzsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anzahl von Teilen des zweiten vorbestimmten verkleinerten Querschnittes aufweist: drei Teile (18D, 18E, 18F) des Schmelzleiters (10), von denen ein erster und ein zweiter Teil an entgegengesetzten Verengungsteilen des Schmelzleiters und ein dritter Teil in dem Mittelbereich des Schmelzleiters angeordnet sind, wobei der erste und der dritte Teil durch einen langgestreckten Ausschnitt (14E) getrennt sind, der gegenüber dem Mittelbereich des Schmelzleiters versetzt ist, wobei der zweite und der dritte Teil durch einen langgestreckten Ausschnitt (14F) getrennt sind, der ebenfalls gegenüber dem Mittelbereich versetzt ist, wobei der erste Teil einen Teil (20) schmelzbaren Materials hat, welcher in dessen Mittelbereich angeordnet ist und eine niedrigere Schmelztemperatur als das Material des Schmelzleiters hat, wobei der zweite und der dritte Teil Teile (30, 40) schmelzbaren Materials haben, die in deren Mittelbereich angeordnet sind und Schmelztemperaturen haben, welche niedriger sind als die des Materials des

Schmelzleiters, aber größer als die des schmelzbaren Mate-; --^i-.·*'*---' rials, das in dem Mittelbe'reich des ersten" Teils angeordnet, ^r'_ /Im%
10. Allzweckhochspannungsschmelzsicherung nach Anspruch '2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Halsteile einen' ' Teil (20) schmelzbaren Materials hat, welcher eine niedrigere Schmelztemperatur als das Materials-des Schmelzleiters

(10) aufweist. ^!_ ' ·