DE3428568A1

DE3428568A1 - Elektrische sicherungseinrichtung

Info

Publication number: DE3428568A1
Application number: DE19843428568
Authority: DE
Inventors: Ludwig 6054 Rodgau Pohl; Ludwig Dr. 8526 Bubenreuth Schultz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-08-02
Filing date: 1984-08-02
Publication date: 1986-02-13
Also published as: EP0170171A2; ES545821A0; DE8423056U1; ES8609813A1; EP0170171A3

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München y< VPA W P 3 2 9 5 DE

Elektrische Sicherungseinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Sicherungseinrichtung, insbesondere für Hochspannungs- und/ oder Hochstrom-Geräte, welche mindestens einen Schmelzleiter enthält, der auf einem Trägerkörper aufgewickelt ist und zumindest teilweise eine das Ansprechen der Sicherungseinrichtung anzeigende Vorrichtung umgibt, die einen beweglichen Bolzen aufweist, der zum Spannen eines Federelementes mit vorbestimmter Spannkraft über einen mit ihm verbundenen, beim Ansprechen der Sicherungseinrichtung unter der Spannkraft zerreißenden Spanndraht vorgesehen und mit dem gegebenenfalls eine zugeordnete Schalteinrichtung zu betätigen ist. Eine derartige Sicherungseinrichtung ist in dem Siemens-Katalog HG 12 (1979): "Hochspannungsschaltgeräte bis 36 kV; Lasttrennschalter, HH-Sicherungen", Teil 2 angedeutet.

Hochspannungs-Hochleistungs-CHHJ-Sicherungen werden als Kurzschlußschutz in Hochspannungschaltanlagen für Frequenzbereiche zwischen 50 und 60 Hz verwendet. Vor Transformatoren, Kondensatoren und Kabelabzweigen eingesetzt, schützen sie Geräte und Anlagenteile vor der dynamischen und thermischen Wirkung hoher Kurzschlußströme, indem sie diese bereits im Entstehen ausschalten. Derartige Sicherungseinrichtungen eignen sich jedoch nicht als Überlastungsschutz, da sie erst ab einem vorbestimmten kleinsten Ausschaltstrom mit Sicherheit ausschalten können. Dieser kleinste Ausschaltstrom liegt im allgemeinen bei dem 2,5- bis 3fachen Nennstrom.

SIm 2 Hag / 26.7.1984

Ein Strom im Bereich zwischen dem Nennstrom und dem Ausschaltstrom wird also mit dieser Art von Sicherungseinrichtungen nicht abgeschaltet. In diesem Strombereich sind folglich die Sicherungseinrichtung als auch das von ihr zu schützende Bauteil einer thermischen Überlastung ausgesetzt. Aus diesem Grunde werden vielfach für diesen Strombereich zusätzliche Schutzmaßnahmen vorgesehen.

Die aus der eingangs genannten Veröffentlichung zu entnehmende Hochspannungs-Sicherungseinrichtung enthält einen oder mehrere, parallel geschaltete Bandschmelzleiter mit Engstellenbereichen, die auf einem keramischen Rohr mit sternförmigem Querschnitt aufgewickelt sind. Im Innenraum dieses Rohres ist eine ebenfalls rohrförmige, einseitig offene Schlagvorrichtung angeordnet, die einen beweglichen Schlagstift oder -bolzen aufweist. Dieser Schlagstift ist bis zu seinem tellerförmigen Kopfteil mittels eines Spanndrahtes in die Schlagvorrichtung eingezogen, wobei er eine Druckfeder mit vorbestimmter Spannkraft zusammenpreßt. Dieser Spanndraht liegt dabei in einem parallelen Strompfad zu dem Schmelzleiter. Da er einen wesentlich höheren Widerstand als der Schmelzleiter aufweist, ist er im Betriebsfall nur von einem sehr kleinen Strom durchflossen. Entsteht jedoch im Kurzschlußfall ein Lichtbogen an einer der dann durchgeschmolzenen Engstellen des Schmelzleiters, so fließt aufgrund der Lichtbogenspannung ein für ein Schmelzen oder Verdampfen des Spanndrahtes ausreichender Strom durch diesen Draht. Die Druckfeder kann sich so entspannen, wobei sie den Schlagstift aus der entsprechenden Stirnseite der Sicherungseinrichtung herausstößt. Dadurch wird das Ansprechen der Sicherungseinrichtung angezeigt. Außerdem kann der Schlagstift einen besonderen

-*-- VPA 84 P 3 2 9 5 DE

Schaltzustandsgeber der Sicherungseinrichtung oder eine Auslösevorrichtung eines der Sicherungseinrichtung zugeordneten Lasttrennschalters betätigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die bekannte Sicherungseinrichtung derart auszugestalten, daß sie nicht nur beim Durchschmelzen des Schmelzleiters, sondern auch bei thermischer Überlastung unterhalb des zum Durchschmelzen des Schmelzleiters führenden Auslösestromes bei Überschreiten einer zuvor festgelegten Temperatur anspricht und somit gegebenenfalls mittels einer in Reihe gelegten Schalteinrichtung einen Stromkreis unterbricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spanndraht zumindest teilweise aus einem amorphen Material besteht, das bei einer vorbestimmten Temperatur aufgrund einer entsprechenden Heizleistung des Schmelzleiters bei dessen Überlastung zumindest weitgehend kristallisiert und deshalb unter der Spannkraft des Federelementes zerreißt.

Aufgrund der Verwendung eines entsprechenden Spanndrahtes läßt sich folglich auch ein thermischer Überlastungsschutz für den Bereich zwischen dem Nennstrom und dem Auslösestrom der Sicherungseinrichtung erreichen. Das amorphe Metall besitzt nämlich im amorphen Zustand eine große Zugfestigkeit, zerreißt jedoch nach einer Kristallisation unter dem angelegten Zug. Fließt nun durch die Sicherungseinrichtung, d.h. durch ihren Schmelzleiter, ein Strom, der größer als der Nennstrom, aber kleiner als der Auslösestrom, bei dem ein Durchschmelzen des Schmelzleiters erfolgt, ist, erwärmt sich der Schmelzleiter dementsprechend. Aufgrund der damit verbundenen Heizwirkung des Schmelzleiters wird das

V- VPA MP 3 295 DE

amorphe Metall durch Wärmeleitung oder Konvektion soweit erwärmt, daß seine Kristallisationstemperatur erreicht wird. Das amorphe Metall versprödet, zerreißt unter der Zugspannung und gibt den Bolzen frei, der seinerseits eine vorgelagerte Auslösevorrichtung einer Schalteinrichtung betätigen kann. Da diese Heizwirkung mittels des Schmelzleiters unterhalb des Auslösestroms geschieht, wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft auch eine Überlastung der Sicherungseinrichtung erfaßt. Dabei wird auch die bekannte Funktion des Spanndrahtes, nämlich einen durchgebrannten Schmelzleiter anzuzeigen, nach wie vor erfüllt. Entsteht nämlich bei einem Durchschmelzen des Schmelzleiters ein Lichtbogen in der Sicherungseinrichtung, so fließt wegen der Lichtbogenspannung ein Strom durch den Spanndraht, der das amorphe Metall über die Kristallisationstemperatur erwärmt und aufgrund des damit verbundenen Zerreißens des Spanndrahtes den Anzeigemechanismus auslöst. Eine derartige Funktion des Spanndrahtes aus einem amorphen Material ist an sich bekannt (vgl. DE-OS 27 42 966).

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sicherungseinrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Sicherungseinrichtung unter Bezugnahme auf die Figur der Zeichnung noch weiter erläutert.
30

Bei der in der Figur als Längsschnitt und teilweise Seitenansicht schematisch nur zu einem Teil veranschaulichten Sicherungseinrichtung wird von bekannten Ausführungsformen ausgegangen, die neben mindestens einem Schmelzleiter eine besondere Schlagvorrichtung

zum Anzeigen des Ansprechens der Sicherungseinrichtung sowie zu einer eventuellen mechanischen Auslösung einer Schalteinrichtung aufweisen (vgl. z.B. die in dem eingangs genannten Prospekt aufgeführten Sicherungen). 5

Die allgemein mit 2 bezeichnete Sicherungseinrichtung enthält einen beispielsweise in einem in der Figur nicht ausgeführten Porzellanrohr angeordneten rohrförmigen Trägerkörper 3, der z.B. aus keramischen Material besteht, einen etwa sternförmigen Querschnitt aufweist und mit Rippen 6 versehen ist. Auf diesen Trägerkörper 3 ist ein bandförmiger Schmelzleiter 4 aufgewickelt, der in bekannter Weise mit Engstellenbereichen 5 versehen ist. Gegebenenfalls können auch mehrere derartige parallel geschaltete Schmelzleiter vorgesehen sein. Der oder die Schmelzleiter 4 sind dabei im allgemeinen allseitig in ein feinkörniges Löschmittel wie z.B. Quarzsand eingebettet. Innerhalb des rohrförmigen Trägerkörpers 3 mit dem Schmelzleiter 4 ist eine besondere mechanische Vorrichtung 1_ angeordnet, mit der das Ansprechen der Sicherungseinrichtung zur Anzeige gebracht werden kann. Mittels dieser Vorrichtung, die auch als Schlagvorrichtung bezeichnet wird, kann gegebenenfalls auch der Auslösemechanismus einer zugeordneten Schalteinrichtung wie z.B. eines Lasttrennschalters betätigt werden.

Die Anzeige- bzw. Schlagvorrichtung 1_ weist ein auf einer Seite offenes Hüllrohr 8 auf, das auf der gegenüberliegenden Seite mit einem festen Bodenteil 9 versehen ist. In das Hüllrohr ist von der offenen Seite her ein Federelement 10, beispielsweise eine Stahlfeder, eingebracht, die mittels eines im Längsschnitt T-förmigen Schlagstiftes JLL, der auch als Schlagbolzen bezeichnet wird, zusammenzudrücken ist. Hierzu dient

-/- VPA ^ P 3 2 9 5 DE

ein besonderer Spanndraht 12, der mit dem Fußteil 13 des Schlagbolzens LL verbunden und durch Bohrungen 14 in dem festen Bodenteil 9 hindurchgeführt ist. Mittels dieses Spanndrahtes läßt sich das Federelement 10 über den Kopfteil 15 des Schlagbolzens IJL zusammendrücken und in dieser Position mittels außerhalb des Hüllrohres 8 anzubringender Quetschhülsen 16 fixieren. Dieser Spanndraht 12, der erfindungsgemäß aus einem besonderen amorphen Metall bestehen soll, ist dabei im allgemeinen parallel zu dem Schmelzleiter 4 geschaltet. Neben der angenommenen Drahtform kann der Spanndraht ebensogut auch andere Formen wie z.B. eine Bandform aufweisen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Materialwahl für den Spanndraht wird nicht nur eine Schlagauslösung in der durch einen Pfeil 18 angedeuteten Wirkungsrichtung des Schlagbolzens 11 beim Durchschmelzen des Schmelzleiters 4 und dem damit verbundenen Durchschmelzen des Spanndrahtes 12 erreicht, sondern die Schlagvorrichtung 7_ spricht auch bei thermischer Überlastung, d.h. beim Überschreiten einer zuvor festlegbaren Temperatur in einem Bereich insbesondere zwischen 100⁰C und 600"C an. Der thermische Überlastungsschutz ist nämlich dadurch gegeben, daß das amorphe Metall zwar im amorphen Zustand eine große Zugfestigkeit besitzt, nach der Kristallisation aber unter dem angelegten Zug aufgrund der Spannkraft bzw. der Druckkraft K des Federelementes 10 zerreißt. Fließt nun durch die Sicherungseinrichtung ein Strom, der größer als der für den Schmelzleiter 4 festgelegten Nennstrom ist, so wird das amorphe Metall durch Wärmeleitung bzw. Konvektion soweit erwärmt, daß seine Kristallisationstemperatur zumindest weitgehend erreicht wird. Das amorphe Metall versprödet, zerreißt unter der Druckspannung K des Federelementes 10 und gibt so den Schlagbolzen Ll frei, der seinerseits einen vorgelagerten Schalter betätigen kann. Die bei bisher

- 3*

_/_ VPA MP 3 295 DE

bekannten Ausführungsformen ausgeübte Funktion des Spanndrahtes, nämlich die Anzeige einer durchgebrannten Sicherungseinrichtung, wird dabei nach wie vor erfüllt. Entsteht nämlich ein Lichtbogen aufgrund eines Durchbrennens des Schmelzleiters 4, so fließt wegen der Lichtbogenspannung ein Strom auch durch den Spanndraht, der das amorphe Metall über die Kristallisationstemperatur erwärmt und somit den Anzeigemechanismus auslöst.

Wie erwähnt, wird die Auslösetemperatur durch die Kristallisationstemperatur bestimmt, die von der Zusammensetzung des amorphen Metalls abhängt. Sie ist kein scharf definierter Wert, sondern hängt vom Temperatur-Zeit-Verlauf ab. Je schneller die Aufheizung verläuft, bei umso höheren Temperaturen erfolgt auch die Kristallisation; dafür aber auch umso schneller. Als Richtwert wird allgemein die Kristallisationstemperatur für eine bestimmte Aufheizrate angegeben. Sie liegt z.B. bei 20^eC/sec.

Bei der Auswahl des amorphen Metalls ist sein Relaxationsverhalten zu berücksichtigen. Amorphe Metalle sind bekanntlich metastabil und auch unterhalb der sogenannten Glastemperatur bezüglich ihres glasartigen Zustandes nicht im Gleichgewicht. Es kann so zu struktureller Relaxation und dabei zum Fließen des Materials kommen, wobei die vorgegebene, im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Druckfeder 10 erzeugte Zugspannung abgebaut werden kann. Relaxiert jedoch das amorphe Material zu stark vor der Versprödung, so kann die Zugspannung soweit abgebaut werden, daß sie zum späteren Zerreißen nicht mehr ausreicht. Aus diesem Grunde wird vorteilhaft ein amorphes Material eingesetzt, das einer vorhergehenden Relaxationsglühung im unbelasteten Zustand unterzogen

wurde, da hierdurch die spätere Spannungsrelaxation stark verringert werden kann. Insgesamt läßt sich jedoch das ganze System (vorgegebene Spannung, Federkonstante, Relaxationsverhalten des amorphen Metalls, Länge des Spanndrahtes) so abstimmen, daß auch bei langsamer Aufheizrate die relaxationsbedingte Dehnung des Spanndrahtes die vorgegebene Zugspannung nicht unter die letztlich zum Zerreißen benötigte Spannung abfallen läßt.

Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sicherungseinrichtung wurden als Spanndraht verschiedene amorphe Bänder unterschiedlicher Zusammensetzung mit 2,5 kp Zugspannung belastet und langsam erwärmt. Die nachfolgende Tabelle gibt die Auslösetemperaturen der verschiedenen Bänder an:

Tabelle
Legierung Auslösetemperatur (Grad C)

Fe40Ni40B20 420

Fe65CrlOSi8B13 478

Fe75Sil6B9 630

Fe39Ni39Mo4Si6B13 678

Generell kommen für die Anwendung alle metallischen Bänder oder Drähte in Frage, die sich in amorpher Form erstellen lassen. So kommen insbesondere außer den obengenannten als Beispiele angegebenen Metall-Metalloid-Legierungen auch die allgemein bekannten amorphen Metalle des Typs Übergangsmetall-Übergangsmetall in Betracht. Dabei ist es zweckmäßig, ein korrosionsbeständiges Material auszuwählen, etwa aus Cr-haltigen

Metall-Metalloid-Legierungen. Um niedrigere Auslösetemperaturen zu erzielen, können vorteilhaft auch Co-haltige Legierungen des gleichen Typs vorgesehen werden. Neben der Zusammensetzung der Legierungen ist aber auch, vor allem im Hinblick auf das Relaxationsverhalten, die Vorbehandlung der Bänder oder Drähte von Bedeutung. Dabei sind sowohl die Herstellungsparameter als auch die Relaxationsgluhung wichtig.

Die konkrete Ausgestaltung der Schlagvorrichtung T_ kann im wesentlichen unverändert gegenüber bisher bekannten Ausführungsformen bleiben. Da jedoch bekanntlich amorphe Metalle eine sehr hohe Zugfestigkeit und einen relativ großen elektrischen Widerstand haben, läßt sich statt des bei den bekannten Ausführungsformen im allgemeinen als vielfachen Flaschenzug ausgebildeten Spanndrahtes gegebenenfalls sogar ein einfacher oder ein zweifacher Flaschenzug verwenden.

Das Prinzip eines thermischen Überlastungsschutzes bei elektrischen Sicherungseinrichtungen der eingangs genannten Art durch Verwendung einer Schlagvorrichtung mit amorphem Metall ist natürlich nicht nur auf eine Anwendung bei Hochspannungs-Hochleistungs-Sicherungen beschränkt. Generell ist dieses Prinzip überall dort anwendbar, wo eine thermische Überlastung von Schmelzleitern unterhalb eines zu ihrem Durchschmelzen ausreichenden Ausschaltstromes angezeigt und/oder bei dieser thermischen Überlastung eine Schalteinrichtung mechanisch betätigt werden soll.

4 Patentansprüche
1 Figur

'AJL.

- Leerseite

Claims

Patentansprüche

ilJ Elektrische Sicherungseinrichtung, insbesondere für Hochspannungs- und/oder Hochstrom-Geräte, welche mindestens einen Schmelzleiter enthält, der auf einem Trägerkörper aufgewickelt ist und zumindest teilweise eine das Ansprechen der Sicherungseinrichtung anzeigende Vorrichtung umgibt, die einen beweglichen Bolzen aufweist, der zum Spannen eines Federelementes mit vorbestimmter Spannkraft über einen mit ihm verbundenen, beim Ansprechen der Sicherungseinrichtung unter der Spannkraft zerreißenden Spanndraht vorgesehen und mit dem gegebenenfalls eine zugeordnete Schalteinrichtung zu betätigen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanndraht (12) zumindest teilweise aus einem amorphen Material besteht, das bei einer vorbestimmten Temperatur aufgrund einer entsprechenden Heizleistung des Schmelzleiters (4) bei dessen Überlastung zumindest weitgehend kristallisiert und deshalb unter der Spannkraft (K) des Federelementes (10) zerreißt.
2. Elektrische Sicherungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanndraht (12) aus einer amorphen Metall-Metalloid-Legierung besteht.
3. Elektrische Sicherungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanndraht (12) aus einem amorphen Metall des Typs Übergangsmetall-Übergangsmetall besteht.
4. Elektrische Sicherungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spanndraht (12) vorgesehen

ist, der einer vorhergehenden Relaxationsgluhung im unbelasteten Zustand unterzogen wurde.