DE3237326A1

DE3237326A1 - Hochspannungs-hochleistungs-sicherung

Info

Publication number: DE3237326A1
Application number: DE19823237326
Authority: DE
Inventors: Michael Drothen; Willi 5810 Witten Ressel
Original assignee: Wickmann Werke GmbH
Current assignee: Wickmann Werke GmbH
Priority date: 1982-10-08
Filing date: 1982-10-08
Publication date: 1984-04-12
Also published as: EP0106296B1; US4523172A; EP0106296A1; ATE17414T1; DE3361800D1

Description

Patentanwälte 3301 ΚΑ/Si

Wenzel & Kalkoff

Ruhrstraße 26

Postfach 2448
5810 Witten/Ruhr

Anmelder in: Wickmann-Werke Gmbfl

5810 Witten

Bezeichnung: Hochspannungs-Hochleistungs-

Sicherung

°ie Erfindung betrifft eine Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung mit mindestens je einem Silberschmelzleiter und mindestens je einem Zinnschmelzleiter in Reihenschaltung, wobei mindestens der Silberschmelzleiter zur Beeinflussung seiner Charakteristik in Abständen mit Kerben versehen oder gelocht ist und der Zinnschmelzleiter mit einem Löschmaterial umgeben ist.

Derartige Sicherungen sollen sowohl extreme Kurzschlußströme als auch relativ geringfügig über dem Nennstrom -liegende Überlastströme abschalten, weshalb sie auch als Vollbereichsicherungen angesprochen werden. Insbesondere aufgrund der gewählten Schmelzpunkte für die beiden hintereinander geschalteten Schmelzleiter oder Schmelzleitergruppen übernimmt dabei der Zinnschmelz leiter die !Löschung bei relativ geringen Überströmen, während der Silberschmelzleiter bei extremen Kurzschlußströmen anspricht (DE-PS 24 12 688). Eine der wichtigsten Forderungen für eine VollbereichsiChet:·

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rung liegt darin, daß sie die Abschaltung ohne explosionsartige Selbstzerstörung bewirkt, also äußerlich keinen Veränderungen unterworfen wird.

Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die bisher vorgeschlagenen Sicherungen zwar im obersten und untersten überstrombereich befriedigend funktionieren, daß jedoch in einem mittleren Bereich beide Schmelzleiter oder Schmelzleitergruppen auf den Überstrom reagieren, ohne daß es vor einer Explosion zu der gewünschten Abschaltung kommt. Leicht schematisiert läuft dabei folgender Vorgang ab: Der kritische Überstrom reicht nicht aus, um den Zinnschmelzleiter mehr oder weniger schlagartig zu verdampfen oder eine große Unterbrechungsstelle durch Abschmelzen zu erzeugen. Innerhalb des Silberschmelzleiters reicht der Überstrom ebenfalls nicht aus, eine genügend große Unterbrechung zur Herbeiführung eines Abschaltvorganges zu erzeugen, so daß der Silberschmelzleiter lediglich zunächst im Bereich einer einzigen Engstelle geöffnet wird, die durch Kerben oder durch eine

Lochung gebildet ist. An dieser Stelle entsteht ein stehender Lichtbogen, der die ihn umgebende Sandfüllung anschmilzt und verkohlt, so daß diese Stelle trotz Unterbrechung des Silberschmelzleiters dauernd leitend wird. Dieser Vorgang setzt sich fort, wobei zu berücksichtigen ist, daß während der ganzen Dauer ein kräftiger Lichtbogen vorhanden ist. Bevor nun der Zinnschmelzleiter bedingt durch sein langsames Ansprechen endlich eine Trennung herbeiführen kann, hat der aus dem Bereich des Silberschmelzleiters

herrührende Lichtbogen oftmals die Löschhülle des Zinn-30

schmelzleiters so weit angegriffen und zersetzt, daß keine Unterbrechung des Stromes im Zinn/Silikon-System mehr möglich ist und daß nun aufgrund des inneren Druckes in der Sicherung deren Explosion eintritt. Bezogen auf die zerstörerische Wirkung aus dem Bereich des Silberschmelzleiters kommt also die Trennwirkung aus dem Bereich des Zinnschmelzleiters zu spät, um die Sicherung insgesamt vor ei-

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ner Explosion zu bewahren.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine Sicherung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die tatsächlich die Bezeichnung Vollbereichsicherung verdient, also auch im kritischen Überstrombereich eine Unterbrechung des Überstromes ohne Explosion herbeiführt.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß das Verhältnis der ungekerbten bzw» ungelochten (Total-) (Querschnitte aller Zinnschmelzleiter zu denen aller Silberschmelzleiter größer als 6, das Verhältnis der Restquerschnitte im Bereich der Kerben oder Löcher aller Zinnschmelzleiter zu den Restquerschnitten aller Silberschmelzleiter größer als 15 ist, und daß das Verhältnis der Totalquerschnitte aller Zinnschmelzleiter zu dem Restquerschnitt des einzigen oder eines einzelnen Silberschmelzleiters größer als 60, jedoch kleiner als 85 ist»

Betrachtet man das Teilmerkmal der Erfindung, nach dem das Verhältnis der Totalquerschnitte aller Zinnschmelzleiter zu dem aller Silberschmelzleiter größer als 6 und das Verhältnis der Restquerschnitte aller Zinnschmelzleiter zu denen aller Silberschmelzleiter größer als 15 gewählt wird, so wird damit lediglich festgelegt, daß bei kurzschlußartigen Strömen der Silberschmelzleiter und bei geringen, gerade über dem Nennstrom liegenden überströmen der Zinnschmelzleiter jeweils die Trennung herbeiführt. Für extreme Kurzschlußströme muß mit anderen Worten das Schmelz- und Löschintegral des Silberschmelzleiters kleiner als das Schmelzintegral des Zinnschmelzleiters oder der Zinnschmelzleitergruppen sein» Da die Größe des Löschintegrals jeweils vom Totalquerschnitt eines Schmelzleiters und die Größe des Schmelzintegrales vom Restquerschnitt eines Schmelzleiters abhängt, führt das genannte Teilmerkmal der Erfindung zu der gewünschten Funktionstrennung bei extremen Kurzschlußströmen bzw. bei geringfügig über dem Nennstrom lie-

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■"· genden überströmen.

Für den kritischen Bereich von mittleren Überströmen, bei denen die bisher bekannten Mehrbereichsicherungen immer noch vor einer Trennung zur Explosion neigen, reicht die Dimensionierung nach diesem Teilmerkmal nicht aus, sondern es ist eine weitere Dimensionierungsregel hinzuzufügen, damit auch bei diesen kritischen überströmen vor einer Explosion die Unterbrechung eintritt.
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Allgemeine Bedingung für eine derartige Sicherung ist, daß der Zinnschmelzleiter oder die Zinnschmelzleitergruppe,immer dann die Unterbrechung des Überstromes bewirkt, wenn der Silberschmelzleiter oder die Silberschmelzleitergruppe aufgrund der geringen eingebrachten Energie zwar zur Erzeugung von Lichtbögen, nicht jedoch zur Löschung fähig ist. Der gewünschte Effekt tritt ein, wenn das zweite Teilmerkmal der Erfindung berücksichtigt wird, nachdem das Verhältnis der Totalquerschnitte aller Zinnschmelzleiter zu dem

Restquerschnitt des einzigen oder eines einzelnen Silberschmelzleiters größer als 60, jedoch kleiner als 85 ist.

Es ist darauf hinzuweisen, daß bei diesem Teilmerkmal der Totalquerschnitt aller Zinnschmelzleiter zu dem Restquer-

schnitt eines einzigen Silberschmelzleiters in Beziehung gesetzt wird. In der Regel sind die Zinnschmelzleiter nicht gekerbt oder gelocht, so daß hier der Restquerschnitt und der Totalquerschnitt übereinstimmen. Anders verhält es sich

jedoch bei den Silberschmelzleitern; hier ist grundsätzlich 30

eine Perforierung oder Einkerbung vorhanden. Bei mehreren parallel geschalteten Silberschmelzleitern kommt es bei ausreichenden überströmen zu einem sogenannten Kommutativeffekt, bei dem nacheinander von mehreren Silberschmelzleitern einer

nach dem anderen abgeschaltet wird, bis ein einziger Silber-35

schmelzleiter zur Vollziehung der endgültigen Trennung übrig bleibt. Es kommt auf das Verhältnis der Totalquerschnitte aller Zinnschmelzleiter zu· dem Restquerschnitt dieses übrig gebliebenen Silber-

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Schmelzleiters in dem angegebenen Bereich an.

Die erfindungsgemäße Dimensionierung wirkt sich in der Praxis so aus, daß relativ große Zinnschmelzleiter-Querschnitte vorhanden sind, verglichen mit dem Restquerschnitt eines einzelnen Silberschmelzleiters. Dadurch wird das Kurzzeit-Ansprechverhalten des Gesamtzinnschmelzleiters zu relativ hohen Strömen verschoben, so daß jeweils eine relativ große Überbelastung des Silberschmelzleiters eintritt. Sie reicht dann jeweils aus, um auch einen Löschvorgang herbeizuführen, mit anderen Worten, die dabei auftretenden Ströme überschreiten den I . für den Silberschmelz-

mm

leiter. Die relativ großzügige Dimensionierung des Gesamtzinnschmelzleiters beeinflußt dessen Ansprechverhalten bei ■*·° relativ niedrigen Strömen insofern kaum, als er durch einen Silikonmantel umgeben ist, der thermisch eine gute Isolierung bildet und so zu einem Wärmestau innerhalb der Zinnschmelzleiter führt, mit der Folge eines schnellen Auf-

schmelzens.
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Selbstverständlich kann die Vergrößerung des Querschnitts des Gesamtzinnschmelzleiters nicht so weit getrieben werden, daß es auch bei niedrigen Überströmen nicht mehr zu einem Ansprechen dieses Systems kommt. Insofern beschränkt die erfindungsgemäße Lehre das Verhältnis gemäß dem zweiten Teilmerkmal auf 85. Dabei wird von einer Wärmeleitzahl zwischen dem Zinnschmelzleiter und der umgebenden Silikon-

kcal

hülle von ca. 0,25 r-—^=- ausgegangen. Bei höheren Wärme-

m. η. j\

leitzahlen liegt das betreffende Verhältnis insgesamt nie-30

driger, bei kleineren Wärmeleitzahlen liegt es insgesamt

höher. In jedem Fall kann die erfindungsgemäße Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung mit Recht als Vollbereichsicherung bezeichnet werden, da sie auch im kritischen Bereich der Überströme vor einer Explosion stets einen Ab-35

schaltvorgang bewirkt. Zum Beispiel ist sie zur Absicherung eines 500 kVA-Transformators bei einer Betriebsspannung von 12 kV geeignet, bei der dieser kriti-

till' ... *„„* .... 8

sehe Strom bei ca. 300 A liegt. Aber auch für größere Transformatorenleistungen von 1000 kVA sind Sicherungen geeignet, die gemäß der Erfindung dimensioniert sind.

Bei der Absicherung relativ geringer Überströme, bei denen das Zinnschmelzleitersystem anspricht, tritt aus den Silikonschläuchen, die die Zinnschmelzleiter umgeben, ein heißer Gasstrahl aus, der insbesondere für benachbarte Silikonumhüllungen eine zerstörerische Wirkung hat. Um hier mögliehst optimale Bedingungen zu schaffen, schlägt die Erfindung in Weiterbildung vor, daß die Enden der Zinnschmelzleiter jeweils in den freien Raum innerhalb des Sicherungsrohres weisen und von der Ummantelung des benachbarten Leiters weggerichtet sind.

Die durch die Erfindung vorgeschlagenen Dimensionierungen führen zu relativ kräftigen Zinnschmelzleitern, deren Platzbedarf entsprechend groß ist. Diese Schmelzleiter einschließlich ihrer Silikonummantelungen sind immer schwieriger in Sicherungsrohren unterzubringen, deren Abmessungen sich nach der einschlägigen DIN-Norm richten. Um den Schwierigkeiten bei der Unterbringung zu begegnen, schlägt die Erfindung ebenfalls in Weiterbildung vor, daß die Silikonschläüche relativ dünnwandig ausgebildet werden, jedoch zu

ihrer Stützung ein schlauchartiges Gewebe aufweisen, das beispielsweise zweilagig um den Silikonschlauch herumgesponnen oder geklöppelt sein kann. Dadurch wird die Löschwirkung des Werkstoffs Silikon voll erhalten, jedoch das Platzen unter dem hohen Gasdruck bei einem Lichtbogen innerhalb des Silikonschlauches verhindert. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Lage des Gewebes relativ elastisch ist, und die zweite, also äußere Gewebelage die endgültige Stützfunktion übernimmt.

Nachfolgend wird ein. Ausführungsbeispiel d,er Erfindung, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm des Strom-Zeit-Verhaltens einer Vollbereichsicherung bei logarithmisehem Maßstab,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäß dimensionierte Vollbereichsiche^ rung,

j Fig. 3 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, eines lb Zinnschmelzleiters der Sicherung gemäß der

Figur 2,

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Zinnschmelzleitersystem der Sicherung gemäß Figur 2 und ■15 f

j Fig. 5 eine Ausschnittvergrößerung der übergangs- ^; stelle zwischen dem Silberschmelzleitersys-

tem und dem Zinnschmelzleitersystem der Si-¹-. cherung gemäß Fig. 2.

^s ■

In dem Diagramm der Fig. 1 ist erkennbar, daß die Gesamtkennlinie einer Vollbereichsicherung aus zwei Teilkennlinien zusammengesetzt ist. Die kritischen Überströme liegen gerade in demjenigen Bereich, der zu beiden Seiten des Kennlinienkreuzungspunktes aus den beiden Teilkennlinien liegt. Für diese kritischen Überströme schlägt die Erfindung eine Dimensionierung vor, die jeweils das löschfähige System von den beiden innerhalb der Sicherung vereinigten Systemen ansprechen läßt.

Eine derartige Sicherung ist im Querschnitt in der Fig. 2 dargestellt. Sie besteht äußerlich aus einem Sicherungsrohr 1 aus Glas oder Keramik, das an beiden Enden mit Metallkappen 2 verschlossen ist. Innerhalb des Sicherungsrohres befindet sich auf der einen Seite ein erster Wickelkörper 3, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei darauf aufgewickelte Silberschmelzleiter 4 trägt. Letztere sind in re-

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gelmäßigen Abständen perforiert oder mit Kerben versehen und im Querschnitt rechteckförmig.Zur Erzielung eines niedrigen Ij_n^_n ist eine größere Anzahl von Silikonschmelz leitern 4 vorteilhaft, z. B. vier Schmelzleiter, aus Gründen der Übersichtlichkeit sind jedoch nur zwei dargestellt. In dem anderen Teil des Sicherungsrohres 1 befindet sich ein zweiter Wickelkörper 6, auf den vier ummantelte Zinnschmelzleiter 7 aufgebracht sind. Die einen Enden der Zinnschmelzleiter 7 sind an der einen Metallkappe 2 angeschweißt und die anderen Enden mit einem Anschlußflansch 8 verbunden, an den auch die beiden Silberschmelzleiter 4 angeschlossen sind; die Enden der Silberschmelzleiter an der entgegengesetzten Seite sind an der anderen Metallkappe 2 angebracht.

In der Fig. 3 ist in ungewickelter, gestreckter Lage, ein Zinnschmelzleiter 7 dargestellt, der als Umhüllung einen Silikonschlauch 10 und darüber eine doppelte Gewebelage 11 trägt. Der Silikonschlauch 10 ist für die zu übernehmende Löschaufgabe relativ dünn ausgebildet, was durch das ihn urngebende Stützgewebe 11 ausgeglichen wird. Dieses ist um den Silikonschlauch 10 herumgeklöppelt oder- gesponnen, wobei die erste Lage aufgrund der gewählten Fadenlage elastischer ist als die äußere zweite Gewebelage. Dadurch kann sich der Silikonschlauch 10 bei innerem Gasdruck um einen gewissen Betrag blähen, bis dieser Expansionsbewegung durch die zweite Gewebelage Einhalt geboten wird; durch diese dosierte Expansion werden Spannungsspitzen innerhalb des Silikonschlauchs 10 abgebaut, die die Gefahr des Platzens stark

verringern.
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Aus der Fig. 4 wird besonders deutlich, in welcher Weise die ummantelten Zinnschmelzleiter 7 an dem Anschlußflansch 8 zusammengefaßt sind. Zusammen mit dem zugehörigen zweiten Wickelkörper 6 bilden sie eine Einheit, die sehr leicht an den Wickelkörper 3 für die Silberschmelzleiter 4 angeflanscht werden kann.

In der Fig. 5 ist im vergrößerten Maßstab die übergangs-

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stelle zwischen beiden Wickelkörpern 3 und 6 dargestellt. Es ist deutlich die Richtung jeweils der Zinnschmelzleiterenden zu erkennen, die in den freien Raum außerhalb der Windungen weisen, jedenfalls nicht auf den Silikonschlauch des benachbarten Zinnschmelzleiters 7 gerichtet sind. Treten beim Ansprechen des Zinnschmelzleitersystems aus den Enden der Silikonschläuche 10 heiße Gase aus, treffen sie keinen Silikonschlauch 10 von außen, sondern sie werden in den freien Raum innerhalb des Sicherungsrohres 1 ausgestoßen. In dieser Weise bleiben die Gewebelage sowie der Silikonschlauch selbst im wesentlichen unversehrt, so daß deren Löschfunktion ohne Beeinträchtigung von außen eintreten kann.

Claims

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Patentansprüche

Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherung mit mindestens je einem Silberschmelzleiter und mindestens je einem Zinnschmelzleiter in Reihenschaltung, wobei mindestens der Silberschmelzleiter zur Beeinflussung seiner Charakteristik in Abständen mit Kerben versehen oder gelocht ist und der Zinnschmelzleiter mit einem Löschmantel umgeben ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der ungekerbten bzw. ungelochten (Total-) Querschnitte aller Zinnschmelzleiter (7) zu denen aller Silberschmelzleiter (4) größer als 6, das Verhältnis der Restquerschnitte im Bereich der Kerben oder Löcher aller Zinnschmelzleiter (7) zu denen aller Silberschmelzleiter (4) größer als 15 ist, und daß das Verhältnis der Totalquerschnitte aller Zinnschmelzleiter (7) zu dem Restquerschnitt des einzigen oder eines einzelnen Silberschmelzleiters (4) größer als 60, jedoch kleiner als 85 ist.

Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß vier Silberschmelzleiter (4) vorgesehen sind und vier Zinnschmelzleiter (7).

35. 3. Sicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ausschließlich der bzw. die Silberschmelzleiter (4) zur Bildung eines Restquer-

Schnitts gelocht sind.

4. Sicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Enden der Zinnschmelzleiter

(7) jeweils in den freien Raum innerhalb des Sicherungsrohres (1) weisen und von der Ummantelung (10) des benachbarten Leiters weggerichtet sind.

5. Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Silikonschlauch als Löschummantelung um jeden

Zinnschmelzleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Silikonschlauch (10) relativ dünnwandig ausgebildet ist und ihn zu seiner Stützung ein schlauchartiges Gewebe (11) umgibt.
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6. Sicherung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Gewebe (11) aus zwei durch Klöppeln oder Spinnen aufgebrachte Lagen gebildet ist, von denen die äußere Lage eine geringere Elastizität als die innere Lage aufweist.

7. Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß alle Zinnschmelzleiter (7) auf einen Wickelkörper (6) aufgebracht sind, der an der dem Wickelkörper (3) für den oder die Silberschmelzleiter (4) zugeordneten Seite mit einem Anschlußflansch (8) versehen ist.

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