DE3343496A1 - Schmelzleiter - Google Patents

Description

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RAU & SCHNECK

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. DR. MANFRED RAU DIPL.-PHYS. DR. HERBERT SCHNECK ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

VNR: 106 984 Nürnberg, 30. November 1983

S/Sc

McGraw-Edison Company

1701 Golf Road

Rolling Meadows, 111. 60008

Schmelzleiter

Die Erfindung bezieht sich auf verbesserte Sicherheitsvorkehrungen für Stromkreise und insbesondere auf eine verbesserte Sicherung.

Die Erfindung betrifft einen Schmelzleiter bestehend aus einem zweigeteilten elektrischen Leiter mit einem ersten und einem zweiten Anschluß an entgegengesetzten Enden zum Anschließen des zweigeteilten elektrischen Leiters an einen Stromkreis, wobei der zweigeteilte elektrische Leiter zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß mindestens eine erste und mindestens eine zweite Sollbruchstelle aus schmelzbarem Material aufweist und wobei zumindest Abschnitte der ersten und der zweiten Sollbruchstelle im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

Die Schmelzleiter vieler Sicherungsanordnungen weisen wenigstens einen Abschnitt mit vermindertem Querschnitt auf, die sogenannte Sollbruchstelle oder den Schmelzpunkt.

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Diese Sollbruchstelle bildet den Großteil des elektrischen Widerstands des Schmelzleiters. Da die Sollbruchstelle den größten Widerstand darstellt, ist die Wärmebildung bei Überstrom in diesem Abschnitt des Schmelzleiters am größten und schnellsten. Diese schnelle Wärmebildung bewirkt/ daß die Sollbruchstelle bei Überstrom durchbrennt oder schmilzt. Während die Sollbruchstelle schmilzt, bildet sich ein Lichtbogen. Dieser Lichtbogen führt weiterhin Strom.

Demgegenüber ist es bekannt, zum schnelleren Löschen des Lichtbogens ein Magnetfeld zu benutzen. Dies wird dadurch erreicht, daß der Lichtbogen während er weiterhin Strom führt/ in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld steht, das auf den Lichtbogen eine Kraft ausübt, die bewirkt, daß er sich bewegt, wodurch die länge des Lichtbogens schnell zunimmt. Während die Länge des Lichtbogens wächst, erhöht sich schnell die Spannung des Lichtbogens, bis die Netzspannung überschritten ist. Wenn die Lichtbogenspannung die Netzspannung übersteigt, nimmt der Strom im Lichtbogen ab. Erst wenn der Strom im Lichtbogen gleich Null ist, ist der Lichtbogen tatsächlich gelöscht. Dementsprechend kann ein Magnetfeld, welches bewirkt, daß der Lichtbogen rapide an Länge zunimmt, den Strom im Lichtbogen schnell auf Null herabsetzen und so den Lichtbogen in sehr viel kürzerer Zeit löschen.

Es sind Sicherungen bekannt, bei denen Magnete zum Löschen von Lichtbogen benutzt werden. Zum Beispiel sieht die US-PS 2,734,110 eine Sicherung mit einem an der Sollbruchstelle konzentrierten Magnetfeld vor, durch welches die Lichtbogenteilchen, die aufgrund des Schmelzens der Sollbruchstelle ent-

stehen, durch eine Reihe von Austrittsöffnungen nach außen bewegt werden. Die US-PS 1,441,550 sieht ein Sicherungsteil mit zwei oder mehr Sollbruchstellen vor, die hintereinander angeordnet sind und so konzipiert sind, daß das vom durchfließenden Strom wahrend des Löschens verursachte Magnetfeld bewirkt, daß der Abschnitt der Sicherung zwischen den Sollbruchstellen seitlich verschoben wird. Durch die US-PS 3,275,771 ist der Gebrauch paralleler Schmelzleiter, zwischen welchen sich Gas entwickelndes Isoliermaterial befindet, bekannt. Der Stromfluß in jedem der beiden Schmelzleiter ist parallel und geht in eine Richtung, wodurch die elektromagnetischen Kräfte zwischen den parallelen Lichtbogen, die sich durch das Schmelzen der Sollbruchglieder bilden, zur Folge haben, daß die Lichtbogen in das Gas entwickelnde Isoliermaterial gezogen und gelöscht werden. Die US-PS 4,063,297 sieht den Gebrauch eines gespannten Federelementes zusammen mit einer hornförmigen Funkenstrecke vor, wobei magnetische Kräfte zum Löschen von Lichtbogen benutzt werden. Durch die US-PS 659,671 ist der Gebrauch eines Elektromagneten in Kombination mit einem Schmelzleiter und zwei Abbrennkontakten zum Löschen der durch Überstrom entstehenden Lichtbogen bekannt. Die US-PS 685,766 sieht den Gebrauch eines mit dem Schmelzleiter in einer Reihe angeordneten Elektromagneten zum Löschen von Lichtbogen vor.

Die oben erwähnten vorbekannten Sicherungen basieren zwar alle in irgendeiner Weise auf dem Gebrauch von Magneten zum Löschen von Lichtbogen, die sich bei Überstrom in der Sicherung bilden, aber viele benötigen externe Magnetfelder, um einen Spannungsabfall in einem oder mehreren Abschnitten

der Sicherungsstruktur mit Hilfe von Schwerkraft oder Federkraft oder anderer Kräfte zu er2eugen, wodurch die Struktur der Sicherung kompliziert und aufwendig wird..

Der Schmelzleiter gemäß der Erfindung weist ein neues Konzept auf, demzufolge ein Abschnitt oder mehrere Abschnitte des Schmelzleiters zwei eng nebeneinanderliegende parallele Sollbruchstellen aufweisen, die so angeordnet sind, daß die Richtung des Stromflusses in einer der nebeneinanderliegenden Sollbruchstellen umgekehrt zu derjenigen der anderen Sollbruchstelle verläuft. Die beiden parallelen Sollbruchstellen sind durch dielektrisches Material oder einen Luftspalt getrennt. Entgegengesetzter Stromfluß in den beiden parallelen Sollbruchstellen erzeugt ein Magnetfeld, das eine trennende Kraft zwischen den beiden Sollbruchstellen erzeugt. Lichtbogen, die durch das Schmelzen der Sollbruchstellen aufgrund von überstrom entstehen, werden durch das erzeugte Magnetfeld auseinandergedrückt. Dadurch nimmt die Lichtbogenlänge zu, was die Lichtbogenspannung erhöht, und der Strom im Lichtbogen wird auf Null herabgesetzt und der Lichtbogen gelöscht. Es wird also erfindungsgemäß eine Verbesserung beim elektromagnetischen Löschen von Lichtbogen erreicht.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Figur la eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Schmelzleiters gemäß der Erfindung;

Figur Ib eine erweiterte perspektivische Ansicht der Ausführungsform des Schmelzleiters nach Figur la;

Figur 2 eine Seitenansicht eines Rohlings, der zum Formen des Schmelzleiters nach Figur la benutzt werden kann;

Figur 3 eine erweiterte perspektivische Ansicht des Schmelzleiters nach Figur la mit einer schematischen Darstellung des durch den Schmelzleiter fließenden Stroms;

Figur 4a eine Seitenansicht eines Rohlings/ aus dem eine erste mögliche Ausführungsform des Schmelzleiters geformt werden kann;

Figur 4b eine Seitenansicht einer ersten möglichen Ausführungsform des Schmelzleiters aus dem Rohling gemäß Figur 4a;

Figur 5 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Schmelzleiters.

Bezugnehmend auf die Figuren, insbesondere Figuren la und Ib, die eine bevorzugte Ausführungsform 4 des Schmelzleiters gemäß der Erfindung zeigen, werden die Schmelzleiter oder "Subelemente" 10, 16 jeweils aus Streifen schmelzbaren Materials geformt, die zwei im allgemeinen V-förmige Einkerbungen 54, in jeweils einander gegenüberliegenden Ecken 58, 59 aufweisen, um jeweils transversale Sollbruchstellen 12, 18 zu erhalten. Die Abschnitte mit voller Breite 50, 52 der Schmelzstreifen 10, 16 werden mit den Sollbruchstellen 12, 18 jeweils zusammen-

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gefügt, die eng nebeneinander liegen, parallel verlaufen und durch einen dünnen Isolator 14 voneinander getrennt sind. Alternativ zum Isolator 14 können die Innenseiten 66, 68 einer oder beider Sollbruchstellen 12, 18 mit einer dielektrisch aufgetragenen Schicht versehen oder durch eine Luftschicht getrennt sein.

Die zusammengefügten Schmelzstreifen 10, 16 sind mit Anschlüssen 6, 8 versehen, mit deren Hilfe die zusammengefügten Schmelzstreifen in einer Sicherung (nicht dargestellt) angebracht werden können. Mittel zum Anbringen der Streifen 10, 16 in der Sicherung sind vorbekannt. Zum Beispiel können die Anschlüsse 6, 8 auf klemmende MetalIkontakte gelötet werden. Als weitere Möglichkeit können Löcher zum Anschrauben in den Streifen 10, 16 an den Anschlüssen 6, 8 vorgesehen sein.

Das schnelle Löschen von Lichtbögen gemäß der Erfindung wird am besten anhand von Figur 3 verdeutlicht. Die Schmelzstreifen 10, 16 haben im wesentlichen den gleichen Widerstand. Demzufolge teilt sich der Strom I, der durch den gesicherten Stromkreis fließt, in im wesentlichen gleiche Stromstärken zwischen den Schmelzleitern 10, 16 auf, wie durch die Stromlinien 24, 26 symbolisch dargestellt. Wie dargestellt, ist die Richtung des Stromflusses 26 in der transversalen Sollbruchstelle 12 entgegengesetzt zu der Richtung des Stromflusses 24 in der transversalen Sollbruchstelle 18. Es ist bekannt, daß die magnetische Abstoßungskraft zwischen zwei Leitern mit entgegengesetztem Stromfluß gleich

KUI₁I₂L

ist. Dabei bezeichnet

η die magnetische Permeabilität des umgebenden Mediums,

I- den Strom, der durch den ersten Leiter fließt,

I_ den Strom, der durch den zweiten Leiter fließt,

L die Länge, über die die Leiter parallel verlaufen,

r den Abstand zwischen den parallelen Abschnitten der Leiter und

K eine Konstante.

Es ist daher bei dem in Figur 3 dargestellten Schmelzleiter die Kraft, die auf die Lichtbögen wirkt, die sich in den schmelzenden Sollbruchstellen 12, 18 bilden, direkt proportional zu dem Produkt der Größe des Überstroms in jeder Sollbruchstelle 12, 18 und umgekehrt proportional zu ihrem Abstand. Bei überstrombedingungen, bei denen der überstrom gering ist/ ist die die Lichtbögen verlängernde Kraft relativ klein, aber dies gilt auch für den Lichtbogen erzeugenden Strom, und eine kleinere, den Lichtbogen verlängernde Kraft reicht aus. Bei starkem Überstrom ist die Kraft, die Lichtbögen auseinanderdrückt, relativ groß und vergrößert schnell die Länge der Lichtbögen und dementsprechend die Lichtbogenspannung, wodurch der Strom in den Lichtbögen schnell gegen Null geht und der Lichtbogen gelöscht wird. Im Idealfall sollte der Isolator 14 eine solche magnetische Permeabilität aufweisen, welche die magnetische Kraft vergrößert, und er sollte weiterhin so dünn sein,wie es die potentielle Strom- ■ stärke erlaubt, um den Trennungsabstand möglichst klein zu halten.

Die Form des Schmelzleiters gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch die Zweiteilung, d.h. durch die Verzweigung der Strompfade und ihre Flächenausgestaltung, die darin besteht, daß die zusammengefügten Streifen ungleiche Flächen bilden, obwohl ihre Form dieselbe ist. Die Funktionsgrundlage gemäß der Erfindung besteht also darin, daß durch den Gebrauch von zwei Flächen ein nebeneinander parallel und entgegengesetzt fließender Strom in einem zweigeteilten Schmelzleiter erzielt wird.

Figur 2 stellt eine weitere Ausführungsform des Schmelzleiters gemäß der Erfindung dar. Der Rohling oder Streifen aus schmelzbarem Material 20 ist mit zwei nicht zusammenhängenden transversalen Sollbruchstellen 12, 18 versehen, und zwar durch zwei vorzugsweise V-förmige Ausschnitte 60, 62 an den entgegengesetzten Seiten 72 , 74 des Streifens 20 und durch eine doppelte, entgegengesetzte V-förmige Ausstanzung 64 entlang der Mittellinie 22. Knickt man den Streifen 20 entlang der Mittellinie 22, so erhält man einen Schmelzleiter 4 wie in Figur la dargestellt. Alternativ zum Isolator 14 sind die Innenseiten 66, 68 der Sollbruchstellen 12, 18 mit einer dielektrisch aufgetragenen Schicht 70 versehen.

Eine weitere Ausführungsform des Schmelzleiters 46 gemäß der Erfindung wird in Figuren 4a und 4b dargestellt. Figur 4a zeigt einen bevorzugten Schmelzrohling 28 der weiteren Ausführungsform 46 nach Figur 4b. Der Schmelzrohling oder Doppelstreifen 28 erhält durch die Ausschnitte oder Ausstanzungen 110, 112, 114 zwei vorzugsweise U-förmige Sollbruchstellen 24, 32. Indem der Streifen 28 entlang der Mittellinie geknickt wird

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und der Isolator 34 zwischen die Sollbruchstellen 24, 32 eingebracht wird/ erhält man die Ausführungsform eines Schmelzleiters 46, wie in Figur 4b dargestellt. In dem Schmelzleiter 46 sorgen zwei transversale Abschnitte 80, 82 der ü-förmigen Sollbruchstellen 24, 32 für jeweils parallel entgegengesetzt verlaufende Stromflußpfade. Der zweiflächige Schmelzleiter in Figur 4b könnte weiterhin ebenfalls aus zwei separaten Streifen, von denen jeder eine U-förmige Sollbruchstelle hat, hergestellt werden, wobei die Streifen wie oben in Zusammenhang mit der Ausführungsform nach Figur la beschrieben zusammengefügt werden.

Eine weitere mögliche Ausführungsform des Schmelzleiters gemäß der Erfindung ist in Figur 5 dargestellt. Der Schmelzleiter 36 umfasst vorzugsweise S-förmige Sollbruchstellen und 42, die durch den Isolator 38 getrennt sind. Die drei Längsabschnitte 90, 92 der Sollbruchstellen 40, 42 sorgen für einen nebeneinander verlaufenden, parallelen und entgegengesetzten Stromfluß. Der Schmelzleiter 36 kann auf beide oben in Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform nach Figur la beschriebenen Konstruktionsweisen hergestellt werden,

Ein Schmelzleiter mit einer Vielzahl von Sollbruchstellen, wie hier beschrieben, wird zur Hochspannungsnetzsicherung benötigt. Es können auch mehrere Satz von Sollbruchstellen am Schmelzleiter entlang hintereinander angeordnet werden.

Claims (7)

- -: 33434ab RAU & SSfl PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. DR. MANFRED RAU DIPL.-PHYS. DR. HERBERT SCHNECK ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT VNR: 106984 Nürnberg, 30. November 1983 S/Sc McGraw-Edison Company Golf Road Rolling Meadows, 111. 60008 Ansprüche

1. !!Schmelzleiter bestehend aus einem zweigeteilten elektrischen Leiter mit einem ersten und einem zweiten Anschluß an entgegengesetzten Enden zum Anschließen des zweigeteilten elektrischen Leiters an einen Stromkreis, wobei der zweigeteilte elektrische Leiter zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluß mindestens eine erste und mindestens eine zweite Sollbruchstelle aus schmelzbarem Material aufweist und wobei zumindest Abschnitte der ersten und der zweiten Sollbruchstelle im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sollbruchstelle und die zweite Sollbruchstelle so angeordnet sind, daß Strom, der zwischen dem ersten Anschluß und dem zweiten Anschluß fließt, in dem parallellaufenden Abschnitt (12, 82, 92) der ersten Sollbruchstelle entgegen der Richtung des Stromes fließt, der in dem parallellaufenden Abschnitt (18, 82, 90) der zweiten Sollbruchstelle fließt, wobei eine magnetische Abstoßungskraft zwischen der ersten und der zweiten Sollbruchstelle erzeugt wird, wodurch

D-8500 NÜRNBERG 91 POSTFACH 91 04 80 LANGE ZEILE 30 TELEFON 0911/3 71 47 TELEX 06/23 965 POSTSCHECK NBG. 184352-857

die Lichtbögen, die sich durch durchfließenden Überstrom bilden, verlängert werden.

2. Schmelzleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Sollbruchstelle und der zweiten Sollbruchstelle elektrische Isoliermittel (14, 34, 38, 66, 68) angebracht sind.

3. Schmelzleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweigeteilte elektrische Leiter einen ersten und einen zweiten Streifen aus schmelzbarem Material aufweist, wobei die erste Sollbruchstelle am ersten Streifen und die zweite Sollbruchstelle am zweiten Streifen angeordnet ist.

4. Schmelzleiter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sollbruchstelle (24) und die zweite Sollbruchstelle (32) vorzugsweise U-förmig sind.

5. Schmelzleiter nach anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sollbruchstelle (42) und die zweite Sollbruchstelle (40) vorzugsweise S-förmig sind.

6. Schmelzleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermittel einen dünnen Isolator (14, 34, 38) umfaßt.

7. Schmelzleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermittel einen Luftspalt mit einschließt.